¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura? Un estudio de la Universidad de Barcelona ha utilizado observaciones de estrellas magnificadas por el efecto de lente gravitatoria para abordar esta pregunta. Las posiciones de estas estrellas distantes son una nueva evidencia de que la materia oscura no puede estar formada en su totalidad por objetos compactos como agujeros negros con masas superiores a la de la Tierra. La naturaleza de esta enigmática materia sigue siendo, por lo tanto, una de las grandes preguntas abiertas de la física moderna.
Un hecho establecido en astrofísica es que desconocemos la naturaleza del 85% de la materia del universo a gran escala. Sabemos que está ahí por los efectos gravitatorios que genera pero, a diferencia de las estrellas o del gas interestelar, la llamada materia oscura parece no interaccionar con la luz y aún no ha sido detectada directamente en laboratorios ni aceleradores de partículas.
Un candidato para la materia oscura son hipotéticos agujeros negros que se formaron poco después del Big Bang. Sin embargo, en un estudio reciente publicado en la revista inglesa MNRAS, proponemos que la fracción de la materia oscura formada por objetos compactos como agujeros negros primordiales de masas superiores a la de la Tierra no puede superar el 2 % del total.
Lentes gravitatorias
¿Siente la luz la gravedad? La respuesta es que sí. Predicho por la teoría de la relatividad de Einstein y observado por primera vez durante el eclipse solar de 1919, el efecto gravitatorio sobre la luz se puede detectar y cuantificar. Grandes acumulaciones de materia pueden, por tanto, actuar de forma parecida a una lupa. Cuando la fuente de luz y la lente gravitatoria se alinean, los rayos de luz se focalizan y el brillo de la fuente de luz aparece altamente magnificado.
Los astrofísicos utilizan este efecto de lente gravitatoria para estudiar la naturaleza de la materia oscura que lo genera. En este trabajo hemos estudiado un conjunto de estrellas distantes que, al atravesar en sus movimientos ciertas curvas de alineación de la lente, se ven extremadamente magnificadas durante un breve periodo de tiempo.
¿Dónde entran los agujeros negros en la ecuación? La presencia de objetos compactos, como agujeros negros primordiales en acumulaciones de materia oscura (MACHOs, de Massive Compact Halo Objects), tiene consecuencias en las posiciones de estas estrellas supermagnificadas que pueden observarse experimentalmente. Un gran número de objetos compactos incrementaría el tamaño de la región del cielo donde se espera ver estas imágenes de estrellas magnificadas.
De este modo, el estudio concluye que si más de un 2 % de la materia oscura estuviera albergada en objetos compactos, deberíamos ver las imágenes de las estrellas supermagnificadas esparcidas en un área mucho mayor alrededor del punto de máxima magnificación. Por tanto, las posiciones observadas permiten establecer un límite superior a la fracción de materia oscura que se encuentra en objetos compactos como agujeros negros primordiales de masa superior a la de la Tierra. Sin embargo, agujeros negros más ligeros generarían efectos demasiado débiles para influir en las imágenes observadas, de modo que podrían todavía constituir la totalidad de la materia oscura.
La búsqueda continúa
El límite establecido en este trabajo aporta evidencias que limitan los agujeros negros primordiales como constituyentes de la materia oscura. Estos resultados coinciden con estudios previos de la materia oscura en nuestra galaxia (experimento OGLE, de Optical Gravitational Lensing Experiment), aunque este nuevo estudio de estrellas supermagnificadas permite explorar la materia oscura en cúmulos de galaxias mucho más lejanos. La investigación en este campo continúa estudiando otros posibles candidatos, como partículas subatómicas aún no detectadas.
Estudios como este nos acercan un poco más a la naturaleza de la materia oscura, un problema casi centenario con el potencial de abrirnos la puerta a una siguiente revolución en la física.
Referencia:
Claudi Vall Müller, Jordi Miralda-Escudé, Limits on dark matter compact objects implied by supermagnified stars in lensing clusters, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 536, Issue 2, January 2025, Pages 1579–1585, https://doi.org/10.1093/mnras/stae2652
La fotografía que acompaña este artículo muestra el enorme cúmulo de galaxias MACS J1149.5+223, cuya luz tardó más de 5 mil millones de años en llegar hasta nosotros. La enorme masa del cúmulo está desviando la luz de los objetos más distantes. La luz de estos objetos se ha magnificado y distorsionado debido al efecto de lente gravitacional. El efecto crea múltiples imágenes de cada uno de los objetos distantes. Créditos: NASA, ESA, S. Rodney (John Hopkins University, USA) and the FrontierSN team; T. Treu (University of California Los Angeles, USA), P. Kelly (University of California Berkeley, USA) and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI).
Autores del artículo divulgativo:
Claudi Vall Müller y Jordi Miralda-Escudé
Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB) – Universidad de Barcelona
Fuente: Scientias
