Quina és la naturalesa de la matèria fosca? Un estudi de la Universitat de Barcelona ha utilitzat observacions d'estrelles magnificades per l'efecte de lent gravitacional per abordar aquesta pregunta. Les posicions d'aquestes estrelles distants són una nova evidència que la matèria fosca no pot estar formada en la seva totalitat per objectes compactes com forats negres amb masses superiors a la de la Terra. La naturalesa d'aquesta enigmàtica matèria segueix sent, per tant, una de les grans preguntes obertes de la física moderna.
Un fet establert en astrofísica és que desconeixem la naturalesa del 85% de la matèria de l'univers a gran escala. Sabem que hi és pels efectes gravitatoris que genera però, a diferència de les estrelles o del gas interestel·lar, la denominada matèria fosca sembla no interactuar amb la llum i encara no ha estat detectada directament en laboratoris ni acceleradors de partícules.
Un candidat per a la matèria fosca són hipotètics forats negres que es van formar poc després del Big Bang. No obstant això, en un estudi recent publicat a la revista anglesa MNRAS, proposem que la fracció de la matèria fosca formada per objectes compactes com forats negres primordials de masses superiors a la de la Terra no pot superar el 2% del total.
Lents gravitacional
Sent la llum la gravetat? La resposta és que sí. Predit per la teoria de la relativitat d'Einstein i observat per primera vegada durant l'eclipsi solar de 1919, l'efecte gravitatori sobre la llum es pot detectar i quantificar. Grans acumulacions de matèria poden, per tant, actuar de manera semblant a una lupa. Quan la font de llum i la lent gravitacional s'alineen, els raigs de llum es focalitzen i la lluentor de la font de llum apareix altament magnificada.
Els astrofísics utilitzen aquest efecte de lent gravitatòria per a estudiar la naturalesa de la matèria fosca que el genera. En aquest treball hem estudiat un conjunt d'estrelles distants que, en travessar en els seus moviments unes certes corbes d'alineació de la lent, es veuen extremadament magnificades durant un breu període de temps.
On entren els forats negres a l'equació? La presència d'objectes compactes, com forats negres primordials en acumulacions de matèria fosca (MACHOs, de Massive Compact Halo Objects), té conseqüències en les posicions d'aquestes estrelles supermagnificades que poden observar-se experimentalment. Un gran nombre d'objectes compactes incrementaria la mida de la regió del cel on s'espera veure aquestes imatges d'estrelles magnificades.
D'aquesta manera, l'estudi conclou que si més d'un 2% de la matèria fosca estigués allotjada en objectes compactes, hauríem de veure les imatges de les estrelles supermagnificades escampades en una àrea molt més gran al voltant del punt de màxima magnificació. Per tant, les posicions observades permeten establir un límit superior a la fracció de matèria fosca que es troba en objectes compactes com forats negres primordials de massa superior a la de la Terra. No obstant això, forats negres més lleugers generarien efectes massa febles per influir en les imatges observades, de manera que podrien constituir la totalitat de la matèria fosca.
La cerca continua
El límit establert en aquest treball aporta evidències que limiten els forats negres primordials com a constituents de la matèria fosca. Aquests resultats coincideixen amb estudis previs de la matèria fosca a la nostra galàxia (experiment OGLE, d'Optical Gravitational Lensing Experiment), tot i que aquest nou estudi d'estrelles supermagnificades permet explorar la matèria fosca en cúmuls de galàxies molt més llunyans. La investigació en aquest camp continua estudiant altres possibles candidats, com partícules subatòmiques encara no detectades.
Estudis com aquest ens acosten una mica més a la naturalesa de la matèria fosca, un problema gairebé centenari amb el potencial d'obrir-nos la porta a una següent revolució en la física.
Referència:
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 fotografia que acompanya aquest article mostra l'enorme cúmul de galàxies MACS J1149.5+223, la llum del qual va trigar més de 5 mil milions d'anys a arribar fins a nosaltres. L'enorme massa del cúmul deflecteix la llum dels objectes situats al seu darrere, i en magnifica i distorsiona les imatges, fins a crear imatges múltiples en alguns casos. L'efecte crea múltiples imatges de cadascun dels objectes distants. Crèdits: 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).
Autors de l'article divulgatiu:
Claudi Vall Müller y Jordi Miralda-Escudé
Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB) – Universidad de Barcelona
Font: Scientias
