El extraño comportamiento en un cúmulo masivo de galaxias en fusión podría explicarse si la materia oscura, el material más misterioso del universo, pudiera colisionar consigo misma. Sin embargo, el modelo de cosmología más favorecido en este momento es el modelo de materia oscura fría (CDM) – y sugiere que la materia oscura, que es efectivamente invisible porque no interactúa con la luz, no interactúa consigo misma.
Para llegar al fondo de este enigma, investigadores del grupo de Astrofísica y Cosmología de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) de Italia se propusieron simular lo que está sucediendo dentro del enorme cúmulo galáctico “El Gordo” (que literalmente significa “el Gordo” en español). Se encuentra a unos 7 mil millones de años luz de la Tierra.
Esta simulación reveló que la física del supercúmulo de galaxias en colisión, que tiene una masa equivalente a 3 millones de billones de soles y está oficialmente designado ACT-CL J0102-4915, podría explicarse mediante una teoría alternativa al CDM. Esta teoría alternativa se llama modelo de materia oscura autointeractiva (SIDM).
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Como sugiere su nombre, este modelo postula que cualquier cosa materia oscura consiste en, la sustancia puede colisionar e interactuar consigo misma. Si el universo se describe con precisión mediante un modelo SIDM, significaría partículas de materia oscura pueden intercambiar energía consigo mismos.
Un laboratorio de materia oscura “gordo”
El hecho de que la materia oscura no interactúe con la luz ni con la materia visible ha alertado a los científicos de que no puede estar compuesta de átomos formados por electrones, protones y neutrones. Esos son los bits que componen las estrellas, los planetas, las lunas y nuestros cuerpos. Estas partículas son colectivamente parte de la familia de los bariones, por lo que la materia cotidiana se denomina más técnicamente “materia bariónica”.
La materia oscura interactúa con la gravedad., por lo que el efecto que tiene en la estructura misma del espacio puede afectar la materia visible bariónica y la luz. Así es como los científicos infieren la presencia de materia oscura. Sin embargo, la materia oscura presenta un gran problema para la física. Las partículas de materia oscura superan ampliamente en número a las partículas bariónicas en al menos 5 a 1, y posiblemente hasta en 9 a 1, lo que significa que lo que vemos en el cosmos es sólo una pequeña porción de su contenido real.
“Según el modelo cosmológico estándar actualmente aceptado, la actual densidad de materia bariónica del universo puede representar sólo el 10% de su contenido total de materia. El 90% restante está en forma de materia oscura”, explicó el líder del equipo y científico de SISSA, Riccardo Valdarnini. dijo en un comunicado. “En general, se piensa que esta materia no es bariónica y está hecha de partículas frías sin colisión, que responden sólo a la gravedad.
“Sin embargo, aún quedan algunas observaciones que no se han podido explicar con el modelo estándar”.
El Gordo se compone de dos subcúmulos de galaxias separados que chocan a varios millones de millas por hora. Está tan distante que se ve como era cuando el universo tenía menos de la mitad de su edad actual. Valdarnini explicó que estructuras vastas y masivas como El Gordo, descubierta en 2012, proporcionan los laboratorios cósmicos perfectos para estudiar posibles modelos SIDM.
“Estos son cúmulos de galaxias masivos, estructuras cósmicas gigantescas que, al colisionar, determinan los eventos más energéticos desde el Big Bang”, dijo Valdarnini. “El Gordo es uno de los cúmulos de galaxias más grandes que conocemos. Debido a sus peculiaridades, El Gordo ha sido objeto de numerosos estudios, tanto teóricos como observacionales”.
Un problema para el modelo estándar de cosmología
El Modelo estándar de cosmología CDM sugiere que, cuando las galaxias en un cúmulo chocan y se fusionan, el componente gaseoso de tal evento debería comportarse de manera diferente al componente de materia oscura, disipándose como parte de la energía liberada inicialmente.
“Por eso, después de la colisión, los picos de densidad de masa del gas quedarán por detrás de los de la materia oscura y las galaxias”, explicó Valdarnini.
El modelo SIDM sugiere que algo diferente sucedería durante estas colisiones. En este modelo, habría una separación física entre los puntos de máxima densidad de masa de materia oscura, conocidos como “centroides de materia oscura”, de otros componentes de masa de las galaxias en colisión. Las observaciones de El Gordo parecen sugerir que esta firma exacta del SIDM.
El Gordo consta de dos subcúmulos galácticos masivos denominados noroeste (NW) y sureste (SE), respectivamente. Las imágenes de rayos X de todo el supercúmulo en colisión muestran un único pico de rayos X en el subcúmulo SE y dos colas alargadas y débiles que se extienden más allá de este pico.
Una característica extraña de estas emisiones es la diferente ubicación de los picos de los diferentes componentes de masa. A diferencia de lo que se ve en otro supercúmulo masivo de galaxias en colisión, llamado Grupo de balas, el pico de rayos X de El Gordo precede al pico de materia oscura del SE. Además de esto, el La galaxia en cúmulo más brillante (BCG) en El Gordo está detrás del pico de rayos X, y también parece estar desplazado del centroide de masa del SE. También hay características extrañas en el grupo NO de El Gordo. En esta zona, la densidad máxima de las galaxias está espacialmente compensada con respecto al pico de masa correspondiente.
Para explicar estas características y potencialmente validar un modelo SIDM, Valdarnini y el equipo llevaron a cabo un gran conjunto de simulaciones hidrodinámicas de El Gordo, que pretendía reproducir las características observadas del supercúmulo masivo.
“El resultado más significativo de este estudio de simulación es que las separaciones relativas observadas entre los diferentes centroides de masa del cúmulo ‘El Gordo’ se explican naturalmente si la materia oscura interactúa consigo misma”, continuó. “Por esta razón, estos hallazgos proporcionan una firma inequívoca del comportamiento de la materia oscura que exhibe propiedades de colisión en un alto corrimiento al rojo muy energético. [very distant] colisión de racimos.”
El investigador del SISSM, sin embargo, también reconoce que existen inconsistencias entre los modelos SIDM y las observaciones y simulaciones de El Gordo, con algunos valores medidos superiores a los límites superiores previstos por el modelo para tales fusiones de conglomerados.
“Esto sugiere que los modelos SIDM actuales deben considerarse sólo como una aproximación de bajo orden y que los procesos físicos subyacentes que describen la interacción de la materia oscura en las principales fusiones de cúmulos son más complejos de lo que puede representarse adecuadamente mediante el enfoque comúnmente asumido basado en la dispersión de partículas de materia oscura“, concluyó Valdarnini. “El estudio presenta un caso convincente sobre la posibilidad de materia oscura que interactúa sola entre grupos en colisión como alternativa al estándar sin colisiones paradigma de la materia oscura“.
La investigación del equipo fue publicada en abril en la revista. Astronomía y Astrofísica.