El mapa invisible más preciso del universo: cosmólogos españoles crean un ‘GPS cósmico’ capaz de determinar la edad de los halos de materia oscura

Un equipo internacional liderado por la astrofísica española Elena Fernández-García ha logrado un avance fundamental para entender cómo se agrupa la materia oscura en el universo. Esto es un paso clave para descifrar la evolución cósmica y poder reconstruir así el pasado y futuro de las galaxias y cúmulos. Y con ello nuestro origen. Pero, ¿qué es la materia oscura? La también conocida materia invisible es “uno de los mayores misterios del universo”, como asegura el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

Estas nubes no emiten, absorben o reflejan luz, por lo que no puede observarse directamente con telescopios. Sin embargo, su presencia, que constituye el 85% de la materia total del cosmos, es fundamental, ya que afecta la rotación de las galaxias, desvía la luz de objetos distantes y determina la estructura a gran escala del universo. En este sentido, el nuevo estudio de Fernández-García, donde han colaborado el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), presenta un modelo teórico innovador que explica, con una precisión sin precedentes, la cantidad de “halos de materia oscura” a lo largo de la historia del Universo y para todo tipo de escalas.

Hasta ahora, los científicos usaban fórmulas y simulaciones numéricas para estimar la cantidad de halos según su masa y la época del universo (lo que los astrónomos llaman redshift, o corrimiento al rojo, que analiza el estiramiento de la luz hacia longitudes de onda rojas debido a la expansión del universo). “El problema era que los modelos clásicos solo eran fiables para ciertas épocas o tamaños de halo, y debíamos recurrir a complicados ajustes empíricos para cubrir otros casos”, explica Fernández-García en la investigación publicada en la revista Astronomy & Astrophysics.

¿Qué son los halos de materia oscura?

Desde los primeros instantes tras el Big Bang, la materia oscura “se agrupa” formando grandes estructuras invisibles, conocidas como halos, donde más tarde se forman galaxias y cúmulos de galaxias. Saber cuántos halos hay, qué tamaño tienen y cuándo se forman, es crucial para entender tanto el pasado profundo como el destino del cosmos.

Para conocer mucho más sobre ellos, el equipo, que cuenta también con investigadores de Japón y Estados Unidos, ha propuesto un modelo matemático llamado GPS+ (por Generalized Press–Schechter con colapso triaxial), que permite calcular la abundancia de halos en todo momento y para toda clase de masas, desde los más pequeños —similares en tamaño a galaxias enanas— hasta los monstruosos halos que cobijan supercúmulos —estructuras que agrupan grupos de galaxias y estrellas gracias a la gravedad—.

Como ya se ha mencionado, lo revolucionario de este modelo es que, a diferencia de los anteriores, no depende explícitamente del tiempo (o redshift): su fórmula solo usa una propiedad estadística del universo conocida como “la varianza del campo de la densidad lineal”. Para validar su modelo, el equipo recurrió a los datos generados por el superordenador 'Fugaku’ de Japón y la suite de simulaciones 'Uchuu’.

De esta manera, los astrofísicos han podido recrear en detalle —y con enormes cantidades de datos— la evolución de la materia oscura a lo largo de casi toda la historia del universo observable, desde hace 13.800 millones de años hasta hoy. Gracias a estas simulaciones, han podido probar el GPS+ en un rango de masas y épocas nunca antes alcanzado, abarcando desde épocas cercanas al nacimiento del cosmos hasta la actualidad y para halos muchísimo más grandes y pequeños que los utilizados en trabajos previos.

Más precisión para futuros proyectos

Otro de los investigadores del IAC, Juan Bencort Rijo, ha explicado: “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”. Además, este sistema predice la cantidad de halos con un margen de error menor al 20 % para cualquier masa de halo y época. Esto mejora drásticamente los modelos clásicos, que pueden desviarse hasta un 80 % en las fases más jóvenes del Universo.

Igualmente, el mapa cósmico resuelve dos problemas históricos de las versiones anteriores: por un lado, consigue una “normalización” correcta (es decir, que la suma total de halos previstos encaje con la masa del Universo) y, por otro, ajusta adecuadamente la aparición de los halos más gigantescos. “El nuevo modelo supone un avance crucial para la cosmología”, subraya Francisco Prada, uno de los coautores. Y es que a partir de ahora los científicos podrán interpretar mucho mejor los datos que están recopilando en distintos proyectos internacionales para mapear la estructura a gran escala del cosmos, como DESI, Euclid, LSST o JWST.

La fórmula, totalmente fundamentada en principios físicos y con mínimas partes ajustadas empíricamente, está disponible públicamente y será integrada en herramientas de análisis para toda la comunidad científica. En palabras de Fernández-García: “Con GPS+ damos un salto no solo en precisión, sino en comprensión física, simplificando la interpretación del crecimiento de las estructuras cósmicas y abriendo nuevas puertas para explorar el Universo oscuro”, expone.