Personal científico del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad Técnica Federico Santa María (UTFSM) de Chile han llevado a cabo un análisis exhaustivo sobre la relación que existe entre las propiedades de halos de materia oscura y la forma en que estos objetos están distribuidos en el Universo durante miles de millones de años de evolución cósmica.
Durante las últimas dos décadas, los análisis de censos de galaxias han sugerido que el Universo a gran escala puede ser entendido con un modelo físico basado en la teoría de la relatividad general de Einstein, en el cual la llamada materia oscura y la materia convencional representan cerca del 30% de la cantidad total de energía y materia. El restante 70% corresponde a la denominada energía oscura, una componente cuyo origen y naturaleza es parte de los objetivos de misiones tales como Euclid y DESI, en las cuales el IAC participa.
Dentro de dicho modelo (conocido como el modelo estándar cosmológico), los halos de materia oscura representan los bloques fundacionales de la estructura a gran escala del Universo. En su interior, obedeciendo a la ley de la gravitación universal, habita la materia con la cual todos estamos familiarizados que se denomina técnicamente materia bariónica y que se aglutinada de forma jerárquica en galaxias, estrellas y planetas. Los procesos de formación y evolución de estos objetos luminosos están íntimamente relacionados con las propiedades de los halos de materia oscura en los que viven. Por este motivo, entender la relación entre las propiedades de los halos y las propiedades del Universo a gran escala crea un puente para conectar el vasto Universo con procesos en los que interviene la materia de la que estamos hechos.
El estudio liderado por los investigadores Andrés Balaguera-Antolínez y Antonio Montero-Dorta se ha basado en simulaciones cosmológicas de última generación con el fin de cuantificar el modo en que las propiedades de los halos de materia oscura se relacionan con el medio cosmológico en el que dichos objetos se forman. En particular, el estudio ha cuantificado cómo algunos efectos que dominan a pequeñas escalas están ligados a efectos que tienen lugar en las escalas más grandes del Universo. Los resultados que arroja el estudio, así como la descripción de los algoritmos desarrollados en el mismo, han sido publicados en dos artículos en la revista Astronomy & Astrophysics que se pueden ver en este enlace y en aquí.
“Las técnicas que utilizamos para estudiar el Universo a gran escala no son muy distintas a las aplicadas para estudiar censos poblacionales”, comenta Andrés Balaguera-Antolínez. “Imaginemos que el Universo es una ciudad y que las casas de esa ciudad son los halos de materia oscura. Dentro de estas casas habitan personas que, como galaxias dentro de un halo, se distribuyen de acuerdo a las propiedades del sitio que habitan. Sin embargo, las propiedades de estas casas dependen a su vez del sitio en donde hayan sido construidas: no es lo mismo una casa frente al mar que otra en la montaña, por más que tengan cuatro paredes y un techo. Y esa diferencia de geografía, que para nosotros representan regiones del Universo con mayor o menor densidad, por ejemplo, influye directamente en las propiedades internas de las casas. Lo interesante de estos estudios es ver cómo los efectos que dominan en escalas pequeñas están conectados con las escalas más grandes. En nuestra analogía, sería como si las características de una casa no solo dependieran de la ciudad, sino de la región, del país o incluso del continente. Así mismo, el ambiente local en el que los halos habitan puede generar diferencias en sus propiedades, más allá de aquellas elementales como por ejemplo sus masas”, explica Balaguera-Antolínez.
Las técnicas desarrolladas en este trabajo son tan consistentes que la comunidad científica les está asumiendo de manera generalizada sobre bases de datos tomadas directamente de los censos de galaxias.
Este trabajo ha aportado la posibilidad de estudiar el impacto que tiene cada halo de materia oscura, dentro de la forma de la estructura que adquiere el Universo en sus escalas más grandes. Este análisis ha permitido el desarrollo de un algoritmo diseñado para reconstruir la información sobre las propiedades de los halos basados únicamente en información externa. Esto es una aplicación a la construcción de catálogos sintéticos usados en el análisis estadístico de los experimentos (observaciones) en Cosmología.
“El reto al que nos enfrentamos a la hora de aplicar estas técnicas a las observaciones reales es que la materia oscura, por sus características especiales, no puede ser observada directamente. Por esta razón, la información sobre la distribución de los halos debe ser inferida de manera indirecta a partir de observaciones de galaxias. Si conseguimos ampliar nuestras técnicas a las observaciones reales, podremos determinar cuáles son los efectos ambientales que más influyen en la formación y evolución de las galaxias. Estas técnicas pueden incluso ayudar en la extracción de información cosmológica a partir de los censos de galaxias” explica Antonio Montero-Dorta, profesor de la UTFSM.
El desarrollo del proyecto ha tomado dos vertientes. Por un lado, se está evaluando la posibilidad de utilizar las dependencias de las propiedades de halos de materia oscura con efectos a grandes escalas relacionados con señales de gravedad modificada. Por otra parte, se han establecido un equipo de trabajo junto a personal científico de la Universidad de Córdoba (España) y la Universidad de Pensilvania (Estados Unidos), para llevar estos métodos a escenarios más realistas, y entender el impacto a gran escala de las propiedades de galaxias medidas en censos grandes como DESI y Euclid. Esto permitirá entender los factores más relevantes con respecto a los cuales las galaxias se distribuyen en el Universo.
