Si el Telescopio Espacial James Webb (JWST) investiga galaxias pequeñas y brillantes en el universo primitivo, podría arrojar luz sobre la materia oscura, la materia más misteriosa del universo.
Ésta es la conclusión a la que llegaron científicos de la Universidad de California, que realizaron una simulación del cosmos que rastrea la formación de pequeñas galaxias, comenzando poco después de la Big Bang. Esto parece haber subido la apuesta para el JWST.
Las galaxias pequeñas, también conocidas como galaxias enanas, se distribuyen por todo el cosmos y los científicos han sugerido que pueden representar algunas de las primeras galaxias que se formaron. Esto significa que las galaxias enanas a menudo se han considerado clave en el estudio de los orígenes y evolución del universo.
Sin embargo, el problema ha sido que estas galaxias no siempre coinciden con lo que los astrónomos esperan observar. Por ejemplo, algunos giran más rápido de lo esperado y otros son menos densos de lo que las simulaciones sugieren que deberían ser. Aquí es donde entra en juego la materia oscura.
Los científicos piensan que estas desconcertantes contradicciones podrían existir porque los investigadores no han tenido en cuenta en sus simulaciones la combinación de gas y materia oscura.
Relacionado: El Telescopio Espacial James Webb observa 19 intrincadas estructuras de galaxias con asombroso detalle (imágenes)
Por lo tanto, la nueva simulación del equipo tuvo en cuenta esas interacciones entre la materia oscura y el gas, y descubrió que las primeras galaxias que se crean son más pequeñas y mucho más brillantes que aquellas en simulaciones que ignoran la interacción. Los científicos también vieron que las galaxias crecían más rápidamente que lo que habían visto otros equipos.
Por lo tanto, el equipo de UCLA cree que los astrónomos deberían comenzar a buscar galaxias tempranas pequeñas que sean mucho más brillantes de lo esperado utilizando el JWST y otros telescopios. Si estas galaxias no aparecen, entonces algo podría estar mal con nuestras teorías sobre la materia oscura.
En la oscuridad sobre la materia oscura
La materia oscura es un gran dolor de cabeza para los científicos porque no interactúa con la luz, lo que la hace efectivamente invisible para nosotros.
La materia que forma las estrellas, el gas, los planetas, nuestros cuerpos, tu gato de al lado y prácticamente todo lo que ves a tu alrededor está compuesta de átomos hechos de electrones, protones y neutrones. Estos se llaman «bariones» e interactúan con la luz. Por lo tanto, los científicos se dieron cuenta de que la materia oscura debe estar formada por algo más: algo «no bariónico».
Todo esto significa que, a pesar de que la materia oscura representa alrededor del 85% de la masa del universo, los científicos no pueden detectarla directamente y no tienen una idea sólida de de qué está hecha.
Como la materia oscura tiene masa, interactúa con la gravedad. Eso significa que su presencia se puede inferir por cómo estos efectos gravitacionales impacto materia bariónica y de hecho luz.
De hecho, todo el concepto de materia oscura se postuló inicialmente porque las galaxias giran tan rápidamente que la influencia gravitacional de su materia bariónica por sí sola no podría evitar que se separaran. Los científicos creen que es la influencia de la materia oscura invisible la que «pega» gravitacionalmente a las galaxias.
Los científicos postulan además que la mayoría de las galaxias están rodeadas por vastas halos de materia oscura que se extienden mucho más allá de su contenido visible de estrellas, gas y polvo. También creen que estos halos pueden haber sido parte integral de la formación y evolución de las galaxias.
En el modelo actualmente favorecido de evolución universal, el «modelo cosmológico estándar«, la influencia gravitacional de los cúmulos de materia oscura que existieron en el universo hace 13 mil millones de años logró atraer materia bariónica hecha de
átomos viejos normales.
Una vez que esta «materia ordinaria» creció lo suficiente, colapsó para dar origen a las primeras estrellas. Junto con la materia oscura, estas primeras estrellas atrajeron más materia bariónica, creando las galaxias a su alrededor.
El modelo estándar presenta una forma de materia oscura llamada «materia oscura fría», que recibe su nombre no porque sea fría sino porque se mueve más lento que la velocidad de la luz (el calor es una medida de qué tan rápido se mueven las partículas). La acumulación de estrellas y galaxias en el modelo cosmológico estándar también sería lenta si dependieran de materia oscura fría.
La materia bariónica en forma de hidrógeno y helio gaseoso del Big Bang habría pasado por esos cúmulos de materia oscura de lento movimiento a velocidades supersónicas en esta etapa temprana de la historia del universo. Es decir, hasta que la materia finalmente quedó atrapada y luego se reunió para formar galaxias.
«De hecho, en los modelos que no tienen en cuenta el streaming, esto es exactamente lo que sucede», dijo Claire Williams, miembro del equipo y estudiante de doctorado en UCLA. dijo en un comunicado. «El gas es atraído por la atracción gravitacional de la materia oscura, forma grupos y nudos tan densos que puede producirse la fusión del hidrógeno y, por tanto, forma estrellas como nuestro sol».
Williams y sus colegas descubrieron que, cuando se tiene en cuenta este llamado efecto de transmisión entre la materia oscura y la ordinaria en su simulación, parte del acertadamente llamado «Proyecto Supersónico», el gas aterrizó lejos de la materia oscura y las galaxias en crecimiento. Esto impidió la formación inmediata de estrellas.
Millones de años después de esto, el gas finalmente volvió a caer en las galaxias, provocando una intensa oleada de formación estelar llamada «estallido estelar,» creando galaxias que tenían muchas más estrellas jóvenes y calientes que las galaxias pequeñas ordinarias. Durante un tiempo, esas galaxias con estallido estelar deberían haber brillado mucho más que otras galaxias.
«Si bien la transmisión suprimió la formación de estrellas en las galaxias más pequeñas, también impulsó la formación de estrellas en las galaxias enanas, haciendo que eclipsaran las zonas del universo sin transmisión», explicó Williams. «Predecimos que el telescopio JWST podrá encontrar regiones del universo donde las galaxias serán más brillantes, intensificadas por esta velocidad.
«El hecho de que sean tan brillantes podría facilitar que el telescopio descubra estas pequeñas galaxias, que normalmente son extremadamente difíciles de detectar sólo 375 millones de años después del Big Bang».
El hecho de que la materia oscura sea efectivamente invisible significa que estas galaxias pequeñas y brillantes del universo temprano serían un buen indicador para probar el concepto de materia oscura fría. No detectarlos puede significar que los científicos tengan que recurrir a otras teorías.
«El descubrimiento de parches de galaxias pequeñas y brillantes en el universo temprano confirmaría que estamos en el camino correcto con el modelo de materia oscura fría porque sólo la velocidad entre dos tipos de materia puede producir el tipo de galaxia que estamos buscando. «, dijo en el comunicado Smadar Naoz, líder del equipo supersónico y profesor de física y astronomía de la UCLA. «Si la materia oscura no se comporta como la materia oscura fría estándar y el efecto de transmisión no está presente, entonces no se encontrarán estas galaxias enanas brillantes y tendremos que volver a la mesa de dibujo».
La investigación del equipo se publica en Las cartas del diario astrofísico,
