¿Cómo es el mapa de la materia oscura que apoya la Teoría de la Relatividad de Einstein?

A diferencia de los antiguos filósofos que imaginaban los orígenes del universo, los cosmólogos modernos utilizan herramientas cuantitativas para comprender su evolución y estructura. La cosmología moderna se remonta a principios del siglo XX, con el desarrollo de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein.  

Ahora, investigadores de la colaboración del Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT) han publicado en The Astrophysical Journal una serie de artículos que presentan un nuevo e innovador mapa de la materia oscura distribuida por una cuarta parte del cielo, que se adentra en las profundidades del cosmos y confirma la teoría de Einstein sobre cómo crecen y se curvan las estructuras masivas de la luz a lo largo de los 14.000 millones de años de vida del universo. 

El nuevo mapa utiliza la luz del fondo cósmico de microondas (CMB) esencialmente como luz de fondo para siluetear toda la materia entre nosotros y el Big Bang. 

Suzanne Staggs, directora de ACT y profesora Henry DeWolf Smyth de Física en la Universidad de Princeton dijo que: "La famosa imagen azul y amarilla del CMB [de 2003] es una instantánea de cómo era el universo en una sola época, hace unos 13.000 millones de años, y ahora esto nos da la información de todas las épocas desde entonces". 

El coautor Blake Sherwin, doctorado por Princeton y profesor de cosmología en la Universidad de Cambridge, donde dirige un gran grupo de investigadores del ACT manifiesta: “Se trata de una prueba asombrosa de que comprendemos la historia de cómo se formó la estructura de nuestro universo a lo largo de miles de millones de años, desde justo después del Big Bang hasta hoy. Sorprendentemente, el 80% de la masa del universo es invisible. Al cartografiar la distribución de la materia oscura en el cielo a las mayores distancias, nuestras mediciones de lentes ACT nos permiten ver claramente este mundo invisible”. 

El equipo que han utilizado para este estudio incluye un nuevo y sofisticado modelo del ruido de los instrumentos del ACT realizado por el estudiante de posgrado de Princeton Zach Atkins.  

¿Por qué es difícil detectar la materia oscura? 

Con la luz fondo cósmico de microondas los científicos obtuvieron texturas y grumos de materia oscura // Crédito: Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation

A pesar de constituir la mayor parte del universo, la materia oscura ha sido difícil de detectar porque no interactúa con la luz ni con otras formas de radiación electromagnética. Por lo que sabemos, la materia oscura sólo interactúa con la gravedad. 

Para localizarla, los más de 160 colaboradores que han construido y recopilado datos del Telescopio Cosmológico de Atacama de la Fundación Nacional de la Ciencia, situado en las alturas de los Andes chilenos, observaron la luz que emanaba tras los albores de la formación del universo, el Big Bang, cuando éste sólo tenía 380.000 años. Los cosmólogos suelen referirse a esta luz CMB difusa que llena todo nuestro universo como la "foto de bebé del universo".  

El equipo rastreó cómo la atracción gravitatoria de las estructuras masivas de materia oscura puede deformar el CMB en su viaje de 14.000 millones de años hasta nosotros, del mismo modo que las ventanas antiguas y abultadas doblan y distorsionan lo que podemos ver a través de ellas.  

"Hemos hecho un nuevo mapa de masas utilizando distorsiones de la luz que quedaron del Big Bang", dijo Mathew Madhavacheril, un postdoc de Princeton 2016-2018 que es el autor principal de uno de los artículos y profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Pensilvania. 

La crisis de la cosmología 

Una imagen de la luz deformada recibida por el Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT) // Crédito: Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation

Sherwin añadió: " Esta ‘crisis’ tiene su origen en mediciones recientes que utilizan una luz de fondo distinta, la emitida por las estrellas de las galaxias en lugar del CMB. Estos resultados sugieren que la materia oscura no era lo suficientemente grumosa según el modelo estándar de la cosmología y han suscitado la preocupación de que el modelo pueda estar roto. Sin embargo, los últimos resultados del equipo del ACT han evaluado con precisión que los enormes grumos que se ven en esta imagen tienen el tamaño exacto. 

Suzanne Staggs defiende que: “En lugar de una 'crisis', creo que tenemos una oportunidad extraordinaria de utilizar estos diferentes conjuntos de datos juntos. Nuestro mapa incluye toda la materia oscura, que se remonta al Big Bang, y los otros mapas se remontan a unos 9.000 millones de años, lo que nos da una capa mucho más cercana a nosotros” 

Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT) 

El ACT, que funcionó durante 15 años, fue retirado del servicio en septiembre de 2022. No obstante, se espera que pronto se presenten más artículos con los resultados del conjunto final de observaciones, y el Observatorio Simons realizará futuras observaciones en el mismo lugar, con un nuevo telescopio que está previsto que comience a funcionar en 2024. Este nuevo instrumento será capaz de cartografiar el cielo casi 10 veces más rápido que el ACT.