Poco sabemos de la materia oscura a pesar de que el universo está compuesto en un 80 % por ella y conforma el esqueleto de una estructura de escala gigantesca conocida como la red cósmica. Esta red dicta el movimiento de toda la materia de las galaxias a través de la fuerza de gravedad que produce. Su estructura detallada se desconoce, ya que aún tenemos mucho por descubrir de las propiedades y características de la materia oscura. Sin embargo, una reconstrucción reciente a partir de un algoritmo de inteligencia artificial ha mostrado un mapa del universo en el que las galaxias se conectan de una forma nunca antes vista.
Con su nombre, la materia oscura puede sugerir algo fantástico, un elemento digno de un libro de ciencia ficción, pero es algo real. Su nombre tan misterioso se debe a que no interactúa con el campo electromagnético, lo que significa que no podemos verla porque no absorbe ni refleja la luz. Ello invita a que nos preguntemos, ¿existe algo más allá de lo que no vemos? Al parecer sí, y podemos intuir que está ahí por otro tipo de pistas.
Por ejemplo, la materia oscura es necesaria para poder explicar la forma en la que los objetos rotan en las galaxias. Se ha observado que estos objetos giran demasiado rápido en torno al centro y, según las leyes de gravitación universal, para que esto suceda se requiere de la presencia de más materia de la que vemos, como si en las galaxias hubiera algo que no pudiéramos detectar.
Otra pista es la que nos proporciona el satélite Hubble. Hay haces de luces provenientes de estrellas o galaxias lejanas, cuyas direcciones se encuentran deformadas. Este fenómeno se conoce como lente gravitacional, y sólo es posible si existe un gran cúmulo de materia que genere una fuerza de gravedad suficiente para desviar la dirección de la luz. Según los cálculos astrofísicos, que no veamos ningún cuerpo celeste que genere este fenómeno sugiere que debe haber algo oculto ahí, invisible para nuestros ojos.
Ilustración: Estelí Meza
El primer acercamiento a este misterio lo llevó a cabo Fritz Zwicky, un reconocido astrónomo búlgaro de inicios del siglo pasado quien, al intentar explicar la velocidad de rotación de las galaxias, calculó que la masa total de éstas debería ser 500 veces mayor de lo que sabíamos. Décadas después, a finales de los setenta, la astrónoma estadunidense Vera Rubin confirmó los cálculos de Zwicky. Al observar anomalías en la velocidad de rotación de Andrómeda, concluyó que un halo de materia oscura podría estar extendido por toda la galaxia, en vez de estar concentrado en el centro. De esta manera, la fuerza gravitacional y la velocidad de rotación serían similares en todas partes.
A partir de estos acontecimientos, múltiples observaciones astrofísicas y cosmológicas han sustentado la existencia de la materia oscura, que cada vez cobra mayor importancia en las explicaciones teóricas de cómo podría funcionar el cosmos. Desde esta perspectiva, no es extraño proponer que la materia oscura sea un componente clave para poder entender procesos que han llamado la atención de la ciencia desde hace más de un siglo. Por ejemplo, la existencia de materia oscura con una densidad energética cinco veces mayor que la materia que podemos ver (también llamada materia bariónica) es necesaria —en ciertos cálculos— para poder explicar la teoría de la expansión del universo. Este rol clave en la astronomía y cosmología moderna ha sido el motor para que en las últimas décadas continúen los esfuerzos por conocer la naturaleza de la materia oscura mediante aceleradores de partículas, como la colaboración ATLAS, realizada en la Organización Europea para la Investigación Nuclear, o con los estudios de los rayos gamma y los rayos cósmicos, realizados hasta con neutrinos de alta energía.
A pesar de estos esfuerzos, ninguna de las investigaciones ha encontrado evidencia sólida que confirme la existencia de partículas de materia oscura; su distribución en el universo permanece limitada a ese halo de oscuridad ubicado en las galaxias, propuesto por Vera Rubin desde hace más de cincuenta años. Sin embargo, como Rubin y Zwicky nos han sugerido, quizá la mejor forma de conocer la distribución de estas partículas ocultas no sea intentando observarlas directamente.
Como la materia oscura es invisible, incluso para nuestros más potentes telescopios, la única forma en la que podemos seguir su rastro es a través de la influencia gravitacional que tiene sobre los objetos que sí somos capaces de ver. A escala intergaláctica, se cree que la materia oscura domina con su fuerza gravitacional la interacción entre galaxias y determina su velocidad de rotación. Fue por eso que un equipo internacional de investigación estudió cuidadosamente la distribución y movimiento de las galaxias y, mediante reconstrucciones hechas con la ayuda de una computadora, consiguió revelar un mapa cósmico nunca antes visto.
Los primeros intentos de construir un mapa de la red cósmica comenzaron con un modelo del universo en sus primeros años de vida, para después simular cómo sería su evolución durante miles de millones de años hasta la actualidad. Sin embargo, este método es, desde un punto de vista tecnológico, poco eficiente y muy costoso: requiere procesadores muy potentes, que necesitan mucha energía, encendidos por periodos prolongados para poder recrear el modelo. Además, no se han conseguido resultados que nos permitan observar el Universo Local, que es el cúmulo enorme de galaxias en donde habitamos. Es decir, este modelo no ha logrado recrear a detalle una reconstrucción de nuestro universo.
Por lo tanto, en este nuevo intento, el equipo de investigación utilizó un enfoque diferente: usaron inteligencia artificial para construir un modelo que utiliza información sobre la distribución y el movimiento de las galaxias para intentar predecir la distribución de la materia oscura. Hubo una fase de entrenamiento para verificar que el modelo funcionara correctamente; en estas pruebas, el modelo analizó galaxias, gases, todo tipo de materia visible y, por supuesto, también lo poco que sabemos sobre la materia oscura. Cuando se le da cierta información, el modelo es capaz de llenar huecos de datos que no tiene a partir de lo que ya ha observado. Al principio, los resultados no coincidían del todo con los datos utilizados para echar a andar las simulaciones, pero sí logró reconstruir estructuras muy detalladas. Pero, una vez que los resultados de la reconstrucción coincidieron con los datos reales sobre las velocidades y direcciones de la Vía Láctea y otras galaxias, fue que comenzaron a utilizar el modelo con información proveniente del Universo Local, nuestro vecindario intergaláctico. Esto significó analizar más de 17 000 galaxias, y el resultado fue sorprendente.
El mapa reprodujo con lujo de detalle las zonas y estructuras del universo que ya conocemos, como la llamada Hoja Local, una región supergaláctica que contiene a la Vía Láctea, y el Cúmulo de Virgo y el Vacío Local, una región del espacio aparentemente vacía que se encuentra justo al borde de nuestra galaxia. Los cúmulos de galaxias son los lugares más masivos en el universo, pues contienen varios cientos o hasta miles de galaxias y, ya que en cualquier lugar en donde se acumula masa también hay gravedad, las enormes fuerzas gravitacionales de estos conjuntos galácticos aceleran a las galaxias hasta varios miles de kilómetros por segundo, sobrecalentando el plasma entre ellas a temperaturas altísimas. Por otro lado, el Vacío Local genera una gravedad repulsiva sobre la Vía Láctea que, combinada con la atracción de los demás cúmulos, provoca parcialmente la misteriosa y alta velocidad con la que se mueve, que hasta el momento sigue sin encajar en los cálculos realizados con la información que podemos observar de su entorno.
Pero esto no fue todo, pues el estudio encontró estructuras hasta el momento desconocidas: unas pequeñas formas filamentosas compuestas por materia oscura que conectan las galaxias.
El equipo de esta investigación asegura que este nuevo mapa de nuestro universo más cercano es el primer paso para abrir un nuevo capítulo en la historia del estudio cosmológico, ya que pueden ejecutarse más simulaciones de los movimientos de las galaxias con una precisión inédita. Esto permitiría echar un vistazo al pasado y, sobre todo, al futuro de nuestro vecindario cósmico. Un ejemplo de ello podría ser la relación entre las galaxias Andrómeda y la Vía Láctea: se especula que ambas se están acercando lentamente, lo que podría desembocar en una colisión dentro de miles de millones de años. Con esta nueva metodología, podríamos saber con mayor exactitud si ese es el futuro que le espera a nuestra galaxia. Además, la continuación de este estudio permitiría conocer con mayor profundidad la naturaleza de la materia oscura y los orígenes de algunos agujeros negros que hasta el día de hoy se desconocen.
Parece que nuestra limitada capacidad de detección ya no será una barrera para empezar a comprender la naturaleza de la materia oscura. No sólo eso, tampoco lo será para poder conocer mejor esos misteriosos puentes filamentosos entre galaxias que, hasta el momento, habían estado ocultos ante nuestros ojos.
Víctor Alí Mancilla Gaytán
Pasante de biología en la UNAM y entusiasta de los datos curiosos
Referencias
Alejandro Ibarra, “El estado actual de la búsqueda de materia oscura”, Investigación y Ciencia, junio de 2014.
Marco Luzón, Gloria, “¿Qué es la materia oscura?”, El País, 15 de enero de 2021.
Penn State, “Dark matter map reveals hidden bridges between galaxies” ScienceDaily. 25 de mayo de 2021.
Sungwook E. Hong, Donghui Jeong, Ho Seong Hwang, Juhan Kim, “Revealing the Local Cosmic Web from Galaxies by Deep Learning”, The Astrophysical Journal, 913 (1): 76, 2021.
Zwicky, F., “Die rotverschiebung von extragalaktischen nebeln”, Helvetica physica acta, 6, 1933, pp. 110-127.