Un equip d’astrònoms fa servir dades cosmològiques per comprovar si la matèria fosca es comporta com la matèria ordinària

La matèria fosca es regeix per les mateixes lleis que la matèria ordinària? El misteri d’aquest component invisible i hipotètic del nostre Univers –que no emet ni reflecteix llum– continua sense resoldre’s. Un equip liderat per la Universitat de Ginebra (UNIGE), amb la participació de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) i l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), va investigar si a escala cosmològica aquesta matèria es comporta com la matèria ordinària o si hi intervenen altres forces. Les seves troballes, publicades a Nature Communications, suggereixen un comportament similar, encara que obren la possibilitat a una interacció encara desconeguda. Aquest avenç dona una mica més de llum sobre les propietats de la matèria fosca, que és cinc vegades més abundant que la matèria ordinària.

La matèria ordinària obeeix a quatre forces ben conegudes: la gravetat, l’electromagnetisme i la força nuclear forta i feble a nivell atòmic. Invisible i esquiva, la matèria fosca podria estar subjecta a les mateixes lleis o governada per una cinquena força encara desconeguda.

Per descobrir aquest misteri, l’equip ha estudiat si la matèria fosca cau en pous gravitacionals de la mateixa manera que la matèria ordinària. Sota la influència de cossos celestes massius, l’espai que ocupa el nostre univers es distorsiona i es creen pous. La matèria ordinària (planetes, estrelles i galàxies) cau en aquests pous segons lleis físiques establertes, com ara la teoria de la relativitat general d’Einstein i les equacions d’Euler. Però què passa amb la matèria fosca?

«Per respondre aquesta pregunta, comparem les velocitats de les galàxies a l’univers amb la profunditat dels pous gravitacionals», explica Camille Bonvin, professora associada del Departament de Física Teòrica de la Facultat de Ciències de la UNIGE i coautora de l’estudi. «Si la matèria fosca no està subjecta a una cinquena força, llavors les galàxies —que majoritàriament estan compostes de matèria fosca— cauran en aquests pous com la matèria ordinària, governades únicament per la gravetat. D’altra banda, si una cinquena força actua sobre la matèria fosca, influirà en el moviment de les galàxies, que cauran als pous de manera diferent. Comparant la profunditat dels pous amb les velocitats de les galàxies, podem comprovar la presència d’aquesta força».

En aplicar aquest enfocament a les dades cosmològiques actuals, l’equip va concloure que la matèria fosca cau en pous gravitacionals de la mateixa manera que la matèria ordinària, fet que mostra que obeeixen les equacions d’Euler. «No obstant això, en aquesta etapa, aquestes conclusions encara no descarten la presència d’una força desconeguda. Però si existeix aquesta cinquena força, no pot superar el 7% de la intensitat de la gravetat; en cas contrari, ja hauria aparegut a les nostres anàlisis», afirma Nastassia Grimm, primera autora de l’estudi, anteriorment investigadora postdoctoral del Departament de Física Teòrica de la Facultat de Ciències de la UNIGE i que s’ha incorporat recentment a l’Institut de Cosmologia i Gravitació de la Universitat de Portsmouth.

Aquests resultats inicials representen un avenç important en la caracterització de la matèria fosca. El següent repte serà determinar si es regeix per una cinquena força. «Les dades futures dels experiments més recents, com LSST i DESI, seran sensibles a forces tan febles com el 2% de la gravetat. Per tant, ens haurien de permetre aprendre encara més sobre el comportament de la matèria fosca», conclou Isaac Tutusaus, coautor de l’estudi, investigador de l’IEEC a l’ICE-CSIC i professor associat a l’IRAP, observatori Midi-Pyrénées de la Universitat de Tolosa.