¿Se comporta la materia oscura según las mismas leyes físicas que se aplican a la materia normal? Esta cuestión sigue siendo uno de los principales enigmas de la cosmología moderna, ya que esta forma invisible (que no emite ni refleja luz) es todavía especulativa y extremadamente difícil de estudiar directamente. Investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE) e instituciones aliadas se propusieron ver si la materia oscura sigue un comportamiento conocido en las escalas más grandes, o si otras fuerzas pueden influir en ella. Su investigación, publicada en Nature Communications, indica que la materia oscura se comporta de forma muy parecida a la materia ordinaria, aunque todavía no pueden descartar la posibilidad de una interacción adicional, previamente desconocida. Dado que se cree que la materia oscura es cinco veces más común que la materia ordinaria, incluso un pequeño conocimiento nuevo ayuda a aclarar su papel en la configuración del universo.
La materia ordinaria está gobernada por cuatro fuerzas fundamentales conocidas: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas fuertes y débiles entre los átomos. La pregunta es si la materia oscura responde al mismo conjunto de energía. Aunque la materia oscura es invisible y difícil de detectar, aún puede seguir estas leyes conocidas o tal vez estar influenciada por una quinta fuerza que los científicos aún no han detectado.
Investigando cómo se mueve la materia oscura a través de pozos gravitacionales
Para explorar esta posibilidad, el equipo dirigido por UNIGE probó si la materia oscura se hunde en pozos gravitacionales de la misma manera que lo hace la materia ordinaria a escalas cósmicas. Los objetos masivos distorsionan la estructura del espacio, formando estos pozos. La materia ordinaria (planetas, estrellas y galaxias) se encuentra entre ellos, según principios físicos establecidos que incluyen la relatividad general de Einstein y las ecuaciones de Euler. El equipo quería saber si la materia oscura se comporta de la misma forma predecible.
“Para responder a esta pregunta, comparamos la velocidad de las galaxias en el Universo con la profundidad del pozo gravitacional”, explicó Camille Bonvin, profesora asociada de Física Teórica en la Facultad de Ciencias de UNIGE y coautora del estudio. “Si la materia oscura no está sometida a la quinta fuerza, las galaxias, que en su mayoría están compuestas de materia oscura, caerán en este pozo, que se rige únicamente por la gravedad. Por otro lado, si la quinta fuerza actúa sobre la materia oscura, esto afectará el movimiento de las galaxias, que luego caerán en el pozo de manera diferente según las velocidades de la galaxia, por lo que podemos comprobar la presencia de dicha fuerza”.
La materia oscura parece seguir la ecuación de Euler
Utilizando este método con datos cosmológicos modernos, los investigadores descubrieron que la materia oscura ingresa al pozo gravitacional de la misma manera que la materia normal, lo que significa que esto es consistente con la ecuación de Euler. “En este momento, sin embargo, estas conclusiones aún no descartan la presencia de una fuerza desconocida. Pero si esa quinta fuerza está presente, no puede exceder el 7% de la fuerza gravitacional; de lo contrario, ya habría aparecido en nuestro análisis”, dice Nastassia Grimm, primera autora del estudio y ex investigadora postdoctoral en el Departamento de Ciencias que recientemente se unió a UNIGE Theories. Instituto de Cosmología y Gravitación, Universidad de Portsmouth.
Lo que viene después en nuevos descubrimientos de física
Estos hallazgos preliminares representan un paso importante para perfeccionar nuestra comprensión de la materia oscura. El siguiente gran objetivo es determinar si realmente una quinta fuerza sutil lo afecta. “Los próximos datos de nuevos experimentos, como LSST y DESI, serán sensibles a hasta un 2% de la fuerza gravitacional. Por lo tanto, deberían permitirnos aprender más sobre el comportamiento de la materia oscura”, concluye Isaac Tutousas, investigador del ICE-CSIC y del IEEE y profesor asociado en IRPAP, IRAP, MERAP. Coautor del estudio.
