Los destellos de galaxias tempranas del JWST podrían arrojar luz sobre la materia oscura

La sabiduría convencional sostiene que en el universo primitivo, los charcos de materia oscura (específicamente, materia oscura “fría”, un tipo de materia oscura compuesta de partículas perezosas y de lento movimiento) atraían el gas que dio lugar a las primeras estrellas. Pero todos los experimentos para encontrar materia oscura fría han fracasado, lo que ha dejado a algunos astrónomos preguntándose si deberían buscar formas alternativas. Si, desde el principio, el universo hubiera estado lleno de algún tipo de materia oscura completamente diferente, ¿qué tipos de galaxias habrían seguido?

En un artículo de abril subido al servidor de preimpresión arXiv.org y enviado al Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, Un grupo de teóricos simuló cómo se verían las galaxias primordiales si se formaran dentro de nubes de tres tipos diferentes de materia oscura alternativa: materia oscura “cálida”, materia oscura “difusa” y materia oscura “interactuando” con oscilaciones acústicas. Al compararlos con simulaciones de galaxias frías de materia oscura, los investigadores descubrieron extrañas diferencias estructurales y químicas, ajustes galácticos que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) podría ver.

“Es una cantidad de trabajo extremadamente impresionante”, afirmó Ethan Nadler, becario postdoctoral en los Observatorios Carnegie y la Universidad del Sur de California, Los Ángeles, que no participó en el proyecto. “Lo interesante para mí fue ver diferentes modelos de materia oscura explorados simultáneamente”.

En la década de 1970, a través de su meticuloso trabajo midiendo las tasas de rotación de las galaxias, la astrónoma Vera Rubin demostró que en ausencia de gravedad “extra” que podría provenir de alguna sustancia misteriosa e invisible, la mayoría de las galaxias no permanecerían pegadas entre sí. Muchos sospechaban que las galaxias del universo estaban asentadas dentro de nubes gigantes de materia oscura, llamadas “halos”, muchas veces más grandes que las galaxias mismas. La mayoría de los astrónomos piensan ahora que un sorprendente 84 por ciento de la materia del universo está compuesta de esta materia invisible. Desde entonces, los científicos han trabajado duro para descubrirlo, sin éxito.

“A mayor escala, todo es consistente con [cold dark matter]”, dice Romeel Dave, astrónomo de la Universidad de Edimburgo en Escocia, que no participó en la investigación. “Pero surgen preguntas cuando se empieza a trabajar en escalas muy pequeñas”.

Lo “pequeño” aquí es relativo, por supuesto: las simulaciones pueden replicar cúmulos de galaxias gigantes y otras grandes estructuras cósmicas con una fidelidad asombrosa, pero en escalas más pequeñas de galaxias individuales, tentadoras inconsistencias desafían el modelo de materia oscura fría. Por ejemplo, la historia del origen puede no ser tan sencilla para las galaxias enanas satélite, galaxias diminutas que orbitan alrededor de otras más grandes, de forma muy parecida a como la Luna orbita la Tierra. A lo largo de décadas de búsqueda, los observadores generalmente han encontrado menos galaxias enanas satélite de las predichas por los teóricos, generando una disputa astronómica llamada la “crisis de pequeña escala”.

Ingrese la materia oscura alternativa.

“A los cosmólogos les encanta inventar crisis”, dice Dave, “pero esa es básicamente la génesis de la idea de este artículo: tratar de comprender el impacto de soluciones alternativas de materia oscura para la crisis a pequeña escala. Y es algo que podemos probar”.

La materia oscura alternativa fue la solución original a la crisis de pequeña escala porque podía inhibir la concentración de la misteriosa sustancia para formar estructuras “finas” de menor escala sobre las cuales podrían fusionarse galaxias satélite y otros objetos cósmicos relativamente pequeños. Resulta que modificar la materia oscura fría de esta manera resolvió muchas de las paradojas. En total, el grupo estudió tres tipos de materia oscura alternativa: materia oscura cálida, materia oscura difusa y materia oscura que interactúa con oscilaciones acústicas.

La materia oscura fría está aletargada. Se mueve lentamente. En virtud de tal lentitud, la materia oscura fría simplemente permanece inactiva, sin hacer mucho más que atraer y concentrar materia en galaxias y cúmulos de galaxias. En el otro extremo del espectro, la materia oscura caliente se mueve a velocidades relativistas, lo que la hace incapaz de recolectar casi cualquier cosa. La materia oscura cálida se encuentra en medio de estos extremos y exhibe potencialmente una amplia gama de velocidades. El equipo eligió parámetros cálidos de materia oscura que permitieron a los halos ensamblar galaxias a una velocidad lo suficientemente rápida como para impedir la formación de estructuras de menor escala.

La materia oscura difusa (también conocida como materia oscura ultraligera) es similar a la materia oscura fría en términos de velocidad, excepto que la masa de cada partícula es tan minúscula que los efectos cuánticos se vuelven importantes, lo que le confiere una notable cualidad ondulatoria. La presión adicional sobre la materia oscura debido al efecto cuántico también inhibe las estructuras finas de la materia oscura, lo que da como resultado una apariencia borrosa.

La oscilación acústica de la materia oscura es especialmente sutil. Esta forma de materia oscura es capaz de interactuar con la “radiación oscura”, que actúa como portador de fuerza entre las partículas de materia oscura, creando una presión hacia afuera sobre la materia oscura. El tirón de la gravedad y el empuje de la presión conducen a patrones de densidad en forma de ondas en un “plasma oscuro” fluídico. Estas ondas de densidad, de tamaño subgaláctico, son en sí mismas una forma de materia oscura. La analogía más cercana son las ondas sonoras que viajan en un fluido. Las oscilaciones acústicas también suprimen las características densas.

Jacob Shen, estudiante de posgrado en el Instituto de Tecnología de California, Josh Borrow, postdoctorado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, y sus coautores preguntaron: ¿Cómo comienzan las galaxias del universo temprano nacidas dentro de halos de materia oscura alternativos, y qué sucede? ¿Mientras crecen?

“Es un estudio piloto pero muy interesante”, dice Dave.

El grupo se decidió por un período que comenzó alrededor de mil millones de años después del Big Bang, cuando aparecieron las primeras estructuras cósmicas del universo, una era que el grupo sospechaba que sería su mejor oportunidad para encontrar diferencias prominentes. A partir de este punto, los investigadores simularon la formación de galaxias enanas primordiales y débiles.

“La motivación para observar galaxias enanas es que viven en los halos de materia oscura más pequeños”, explica Nadler. “Los cambios deberían reflejarse fácilmente en las galaxias enanas que viven en esos pequeños halos”.

Para ejecutar sus simulaciones, los investigadores utilizaron un código llamado AREPO y los modelos IllustrisTNG y THESAN. El software divide el espacio virtual en pequeños teselados tridimensionales capaces de moverse y deformarse, un estilo que permitió al grupo rastrear intrincadamente la física del gas primordial y la materia oscura en áreas que lo requerían, y pasar por alto áreas que no lo requerían.

Alrededor de dos millones de horas de CPU después, las simulaciones revelaron estructuras y composiciones únicas.

Como era de esperar, la materia oscura fría y de movimiento lento tenía las propiedades adecuadas para permitir la formación de estructuras densas, mientras que en escenarios alternativos de materia oscura, estas finas características fueron suprimidas. La materia oscura de oscilación acústica tenía las estructuras más detalladas, seguida de la materia oscura cálida. El modelo de materia oscura difusa produjo las estructuras de materia oscura menos detalladas y más difusas.

Las simulaciones también revelaron un nuevo descubrimiento: una conexión entre tipos alternativos de materia oscura y starbursts, períodos de formación estelar extremadamente rápida dentro de una galaxia. Las galaxias alternativas de materia oscura entraron en sus períodos de estallido estelar en momentos más tardíos que las galaxias construidas alrededor de materia oscura fría. Pero esos estallidos estelares posteriores no dieron como resultado galaxias escasas de estrellas: todas las galaxias alternativas de materia oscura de floración tardía eventualmente alcanzaron la producción de estrellas. Algunas incluso experimentaron tasas elevadas de formación de estrellas: las formadas a través de materia oscura difusa mostraron estallidos tardíos pero grandes, lo que resultó en tres o cuatro veces más estrellas de lo que se esperaría de la materia oscura fría.

Un retraso en los estallidos galácticos tiene un efecto en cadena, es decir, un retraso correspondiente en la erupción de supernovas que enriquecen las galaxias con elementos pesados. Así, los diversos halos alternativos de materia oscura construyeron pequeñas galaxias enanas con escasa abundancia de elementos pesados. Y a medida que el tiempo seguía avanzando en las simulaciones, los estallidos estelares posteriores estallaron en núcleos de estrellas ricas en metales que estaban bordeadas por estrellas que contenían menor metalicidad, en comparación con la materia oscura fría.

Aunque existen otras formas posibles para que la materia oscura fría ponga fin a la crisis a pequeña escala, como un mejor modelado de varios mecanismos de retroalimentación que esculpen las galaxias, un atractivo de estudiar modelos alternativos de materia oscura es la posibilidad de encontrar nuevos fenómenos que puedan ser probados mediante observación. .

En este caso específico, JWST podría estar a la altura de la tarea de encontrar y estudiar algunas de las primeras galaxias enanas del universo, haciendo comparaciones entre predicciones basadas en modelos sobre su tamaño, forma y composición química para revelar qué tipo de materia oscura prevalece realmente. La clave será vincular el JWST con telescopios cósmicos mucho más grandes llamados lentes gravitacionales. A pesar de su elegante nombre, estos son simplemente cúmulos de galaxias tan grandes que el espacio-tiempo deformado en masa que los rodea amplifica la luz de los objetos del fondo. Usando JWST para mirar a través de lentes gravitacionales adecuadas, afortunadamente alineadas con galaxias de fondo muy distantes del universo primitivo, los astrónomos podrían vislumbrar el brillo de pequeñas galaxias satélite primordiales y, con él, arrojar luz sobre la verdadera forma aún misteriosa de la materia oscura.