Un equipo de astrónomos utiliza datos cosmológicos para comprobar si la materia oscura se comporta como la materia ordinaria

¿Se rige la materia oscura por las mismas leyes que la materia ordinaria? El misterio de este componente invisible e hipotético de nuestro Universo —que no emite ni refleja luz— sigue sin resolverse. Un equipo liderado por la Universidad de Ginebra (UNIGE), con la participación del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) y el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), investigó si, a escala cosmológica, esta materia se comporta como la materia ordinaria o si intervienen otras fuerzas. Sus hallazgos, publicados en Nature Communications, sugieren un comportamiento similar, aunque abren la posibilidad a una interacción aún desconocida. Este avance arroja algo más de luz sobre las propiedades de la materia oscura, que es cinco veces más abundante que la materia ordinaria.

La materia ordinaria obedece a cuatro fuerzas bien conocidas: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerza nuclear fuerte y débil a nivel atómico. Invisible y esquiva, la materia oscura podría estar sujeta a las mismas leyes o gobernada por una quinta fuerza aún desconocida.

Para desvelar este misterio, el equipo ha estudiado si la materia oscura cae en pozos gravitacionales de la misma manera que la materia ordinaria. Bajo la influencia de cuerpos celestes masivos, el espacio que ocupa nuestro universo se distorsiona, creando pozos. La materia ordinaria (planetas, estrellas y galaxias) cae en estos pozos según leyes físicas establecidas, como la teoría de la relatividad general de Einstein y las ecuaciones de Euler. Pero, ¿qué pasa con la materia oscura?

«Para responder a esta pregunta, comparamos las velocidades de las galaxias en el universo con la profundidad de los pozos gravitacionales», explica Camille Bonvin, profesora asociada del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y coautora del estudio. «Si la materia oscura no está sujeta a una quinta fuerza, entonces las galaxias —que en su mayoría están compuestas 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 caerán en los pozos de forma diferente. Al comparar la profundidad de los pozos con las velocidades de las galaxias, podemos comprobar la presencia de dicha fuerza».

Al aplicar este enfoque a los datos cosmológicos actuales, el equipo concluyó que la materia oscura cae en pozos gravitacionales de la misma manera que la materia ordinaria, obedeciendo así las ecuaciones de Euler. «Sin embargo, en esta etapa, estas conclusiones aún no descartan la presencia de una fuerza desconocida. Pero si existe dicha quinta fuerza, no puede superar el 7% de la intensidad de la gravedad; de lo contrario, ya habría aparecido en nuestros análisis», afirma Nastassia Grimm, primera autora del estudio, anteriormente investigadora postdoctoral del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, que recientemente se ha incorporado al Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth.

Estos resultados iniciales representan un importante avance en la caracterización de la materia oscura. El próximo reto será determinar si se rige por una quinta fuerza. «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 lo tanto, deberían permitirnos aprender aún más sobre el comportamiento de la materia oscura», concluye Isaac Tutusaus, coautor del estudio, investigador del IEEC en el ICE-CSIC y profesor asociado en el IRAP, observatorio Midi-Pyrénées de la Universidad de Toulouse.