En el universo existen inmensas estructuras que rodean tanto a las galaxias como a los cúmulos de galaxia y que son completamente invisibles, ya que no emiten luz. 

Son los denominados halos de materia oscura: pese a no poder observarse directamente, la gravedad de estas concentraciones de materia mantiene unidas a las galaxias y guía su formación.

Es algo así como el ‘andamiaje’ del universo, ya que en su interior se forman y evolucionan las galaxias.

Ahora, cosmólogos del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) han logrado obtener el censo más preciso hasta la fecha de estos halos de materia oscura.

Su trabajo, recoge en una nota de prensa el IAA-CSIC, se basa en el desarrollo de un nuevo modelo, denominado GPS+, capaz de predecir cuántos halos de materia oscura existen en cada etapa de la historia cósmica. 

Es decir, una especie de ‘GPS cósmico’ que revela el mapa invisible más exacto del universo.

Entre los integrantes del equipo de cosmólogos está la almeriense Elena Fernández García, estudiante de doctorado en el IAA-CSIC.

Tras estudiar Física en la Universidad de Granada, Elena es, a sus 25 años de edad, la segunda investigadora más joven del Instituto de Astrofísica de Andalucía y la primera autora del artículo, publicado en la revista ‘Astronomy & Astrophysics Letters’ bajo el título de ‘A redshift-independent theoretical halo mass function validated with the Uchuu simulations’.

13.800 millones de años de historia

El estudio de los cosmólogos ha logrado censar estas estructuras a lo largo de los 13.800 millones de años de historia. Un registro, que denominan “función de masa de los halos”, que no es una lista individual de objetos, sino una descripción matemática que indica cuántos halos de materia oscura existen en cada rango de masa en una época determinada del universo, explica el comunicado.

“Esto es importante porque no todos los halos son iguales: algunos albergan galaxias muy pequeñas; otros contienen galaxias como la Vía Láctea; y los más masivos pueden reunir enormes cúmulos con cientos o miles de galaxias”, detalla Elena Fernández.

Avances

El trabajo marca un avance significativo respecto a anteriores aproximaciones, que podían desviarse hasta en un 80 % en su descripción del universo primitivo. 

Este nuevo modelo reduce esas discrepancias, especialmente en los extremos de masa —donde las incertidumbres eran mayores—, hasta situarlas en torno al 10 y al 20 %, manteniendo una alta precisión a lo largo de casi toda la historia cósmica.

Para Juan Betancort Rijo, investigador del IAC, la clave está en “una idea sencilla”: la materia del universo no se agrupa formando esferas perfectas, sino estructuras irregulares y complejas. “Al incorporar esta realidad y otros detalles del proceso de colapso gravitatorio, el modelo GPS+ describe con mayor fidelidad cómo se forman los halos de materia oscura y, en consecuencia, cómo nacen y evolucionan las galaxias”, señala.

Para ratificar la solidez del modelo, el equipo de cosmólogos lo contrastó con Uchuu (“universo” en japonés), un conjunto de simulaciones cosmológicas más completas y precisas realizadas hasta la fecha. Estas simulaciones, en cuya elaboración participó el IAA-CSIC, fueron realizadas por Tomoaki Ishiyama, investigador de la Universidad de Chiba y coautor del estudio, y ejecutado en Fugaku, uno de los superordenadores más potentes del mundo, en Japón.

Esta porción del universo generada a partir de los halos de materia oscura en la simulación Uchuu muestra la distribución de galaxias y cuásares hasta miles de millones de años luz de distancia. 

Mejorar las herramientas de interpretación

Estas simulaciones no solo han servido para poner a prueba el modelo, sino también para mejorar las herramientas con las que interpretar las observaciones astronómicas actuales. De este modo, las nuevas predicciones permitirán analizar con mayor precisión los datos obtenidos por telescopios como el James Webb Space Telescope, que observa galaxias muy lejanas, formadas durante las primeras etapas del universo.

También los resultados de grandes cartografiados del cielo, como DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), cuyo objetivo es reconstruir la distribución de materia a gran escala del universo y conocer la naturaleza de la energía oscura. Un proyecto internacional en el que el IAA-CSIC ha desempeñado un papel clave en su desarrollo tecnológico y actualmente en su explotación científica.

“Disponer de un censo más exacto de los halos de materia oscura es clave para conectar esas observaciones con los modelos teóricos y comprobar si nuestra descripción del universo —incluida la naturaleza de la materia y la energía oscura— se ajusta a los datos”, sostiene la investigadora almeriense Elena Fernández

El modelo GPS+ ya está disponible para la comunidad científica internacional, lo que facilitará su incorporación a futuros análisis y simulaciones.