La materia oscura sí obedece a la gravedad

Un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad de Ginebra ha confirmado que la materia oscura, el componente más misterioso y abundante del universo, se comporta según las leyes de la física clásica y cae en los pozos gravitacionales igual que la materia ordinaria.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Communications, supone un avance significativo para caracterizar esta sustancia invisible que constituye cinco veces más masa que toda la materia visible del cosmos.

Un enigma que supone el 85% de la materia del universo

La materia oscura es uno de los grandes enigmas de la cosmología moderna.

No emite luz, no la refleja y resulta invisible para cualquier telescopio. Su existencia solo puede inferirse por los efectos gravitatorios que produce sobre la materia visible: las galaxias giran más rápido de lo que deberían según la masa observable, los cúmulos galácticos se mantienen unidos por una fuerza mayor de la esperada, y las observaciones del fondo cósmico de microondas confirman su presencia desde los primeros momentos del universo.

Hasta ahora, los científicos asumían que esta materia invisible obedecía únicamente a la fuerza gravitatoria, sin interactuar con las otras tres fuerzas fundamentales conocidas: el electromagnetismo y las fuerzas nuclear fuerte y débil.

Pero al no haberse detectado nunca directamente una partícula de materia oscura, permanecía la duda: ¿está realmente gobernada solo por la gravedad, o existe una quinta fuerza desconocida que modifica su comportamiento?

Pozos gravitacionales como laboratorio cósmico

Para resolver esta cuestión, el equipo dirigido desde la Universidad de Ginebra diseñó un experimento a escala cosmológica. Los investigadores partieron de un principio: bajo la influencia de cuerpos celestes masivos, el espacio-tiempo se distorsiona creando lo que se denominan pozos gravitacionales.

La materia ordinaria -planetas, estrellas y galaxias- cae en estos pozos siguiendo las ecuaciones de Euler y la teoría de la relatividad general de Einstein.

"Para responder esta pregunta, comparamos las velocidades de las galaxias en todo el universo con la profundidad de los pozos gravitacionales", explica Camille Bonvin, profesora asociada en el Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Ginebra y coautora del estudio.

"Si la materia oscura no está sujeta a una quinta fuerza, entonces las galaxias -que están compuestas mayoritariamente de materia oscura- caerán en estos pozos como la materia ordinaria, gobernadas únicamente por la gravedad. Por otro lado, si una quinta fuerza actúa sobre la materia oscura, influirá en el movimiento de las galaxias, que entonces caerían en los pozos de manera diferente".

Metodología: velocidades galácticas frente a distorsiones espaciales

Los científicos combinaron dos tipos de mediciones cosmológicas.

Por un lado, utilizaron datos de velocidades peculiares de las galaxias, obtenidos mediante el análisis de las llamadas distorsiones del espacio de corrimiento al rojo, procedentes de 22 mediciones en diferentes momentos de la historia del universo realizadas por diversos estudios espectroscópicos.

Por otro lado, emplearon mediciones recientes del potencial de Weyl -una magnitud que representa la suma de las distorsiones temporal y espacial del espacio-tiempo- obtenidas mediante lentes gravitacionales débiles a partir de los datos de los tres primeros años del proyecto Dark Energy Survey (DES).

En la teoría de la relatividad general, ambas distorsiones (temporal y espacial) deben ser idénticas en épocas tardías del universo, lo que permite usar el potencial de Weyl como medida directa de la profundidad de los pozos gravitacionales.

Al contrastar estas mediciones con las velocidades de las galaxias en cuatro intervalos de corrimiento al rojo entre z=0,3 y z=0,8 -lo que equivale a observar el universo hace entre 3.500 y 7.000 millones de años-, los investigadores pudieron comprobar si la materia oscura obedece las ecuaciones de Euler o si existe una desviación atribuible a una fuerza adicional.

Resultados: coherencia con la gravedad newtoniana

El análisis reveló que la materia oscura cae en los pozos gravitacionales exactamente igual que la materia ordinaria, siguiendo las ecuaciones de Euler.

"En esta etapa, sin embargo, estas conclusiones aún no descartan la presencia de una fuerza desconocida. Pero si tal quinta fuerza existe, no puede exceder el 7% de la fuerza de la gravedad; de lo contrario, ya habría aparecido en nuestros análisis", afirma Nastassia Grimm, primera autora del estudio y antigua investigadora postdoctoral en el Departamento de Física Teórica de la Universidad de Ginebra, actualmente en el Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth.

Los resultados también establecen que una hipotética quinta fuerza negativa -que contrarrestara parcialmente la gravedad- no puede superar el 21% de la intensidad gravitatoria.

Estos límites representan las restricciones más precisas obtenidas hasta la fecha mediante una prueba directa de las ecuaciones del movimiento para la materia oscura a escalas cosmológicas.

Implicaciones teóricas: descartando modelos alternativos

El estudio tiene importantes consecuencias para los modelos teóricos sobre la naturaleza de la materia oscura.

Algunos físicos han propuesto que esta materia podría interactuar con un "sector oscuro" formado por radiación oscura o energía oscura, o incluso consigo misma mediante fuerzas no gravitatorias.

Otras hipótesis plantean violaciones del principio de equivalencia débil, que establece que todos los tipos de materia responden igual a la gravedad.

Los nuevos resultados no invalidan completamente estas teorías, pero establecen límites muy restrictivos. Cualquier interacción adicional debería ser extremadamente débil -inferior al 7% de la gravedad- para pasar desapercibida en las observaciones actuales.

El método empleado presenta una ventaja significativa frente a otras aproximaciones: no requiere especificar el tipo concreto de interacción de la materia oscura ni su evolución temporal.

Solo asume que en el universo primitivo esta quinta fuerza hipotética era despreciable, de modo que se reproduce el espectro de potencias de la materia medido en el fondo cósmico de microondas.

El futuro: nuevos instrumentos para detectar fuerzas más débiles

"Los próximos datos de los experimentos más recientes, como LSST y DESI, serán sensibles a fuerzas tan débiles como el 2% de la gravedad. Por tanto, deberían permitirnos aprender aún más sobre el comportamiento de la materia oscura", concluye Isaac Tutusaus, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), y profesor asociado en el Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología (IRAP) del Observatorio Midi-Pyrénées de la Universidad de Toulouse, coautor del trabajo.

El Legacy Survey of Space and Time (LSST), que llevará a cabo el Observatorio Vera C. Rubin en Chile, y el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), instalado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak en Arizona, comenzarán próximamente a proporcionar datos con una precisión sin precedentes.

Según las proyecciones del estudio, estos instrumentos permitirán detectar desviaciones del comportamiento puramente gravitacional del orden del 3-6% por intervalo de corrimiento al rojo en el rango z entre 0,51 y 1,35. Asumiendo una fuerza constante en el tiempo, la precisión podría alcanzar el 2%.

Un paso más hacia la detección directa

Aunque el nuevo estudio confirma que la materia oscura obedece a la gravedad en escalas cosmológicas, el desafío de detectar directamente sus partículas constituyentes permanece sin resolver.

Durante décadas, experimentos subterráneos en diversos puntos del planeta han buscado colisiones de partículas de materia oscura con núcleos atómicos ordinarios, sin éxito hasta la fecha.

Paralelamente, los detectores espaciales buscan señales de desintegración de estas partículas, y el Gran Colisionador de Hadrones intenta producirlas artificialmente.

Todos estos esfuerzos complementan el enfoque cosmológico del estudio de Ginebra, que utiliza el universo entero como laboratorio natural.

La caracterización precisa del comportamiento gravitatorio de la materia oscura supone un avance esencial para orientar estas búsquedas experimentales.

Si se confirma que no existe una quinta fuerza significativa, los modelos teóricos de partículas de materia oscura podrán refinarse, concentrando los esfuerzos de detección en candidatos que interactúen exclusivamente mediante gravedad.

El hallazgo publicado en Nature Communications marca así un hito en la comprensión de este componente fundamental del cosmos, cerrando algunas puertas teóricas mientras abre nuevas vías de investigación experimental que, en los próximos años, podrían finalmente desvelar la verdadera naturaleza de la materia que domina el universo.