Imagen del Hubble que muestra un cúmulo de estrellas (a la derecha) y una gran nube de gas. El gas caliente intergaláctico captado ahora no es visible y se debe buscar de otras formas. | Vídeo: El Universo se expande y las galaxias se separan entre sí - NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Encuentran la fracción perdida de la materia del Universo

Científicos han captado evidencias de gas intergaláctico caliente, el 40 por ciento hasta ahora desconocido de toda la materia que podemos observar

MADRIDActualizado:

Nuestro planeta gira en todo momento alrededor del Sol, ajeno al ruido de los efímeros asuntos humanos y de los monstruosos procesos que mantienen viva a la Vía Láctea. Pero tanto los telescopios como los supercomputadores muestran que ahí fuera, en el reino de estrellas, galaxias, supernovas y agujeros negros, la mayoría de lo que hay es desconocido e invisible. Ni siquiera está hecho de lo que conocemos, la materia bariónica, aquella compuesta por átomos, protones y electrones. De hecho, el 70 por ciento de la energía y la materia del Universo existe en forma de energía oscura, el fenómeno que explica su expansión. El 25 por ciento está en forma de materia oscura, una entidad que origina la gravedad que ha permitido la formación de galaxias. Solo el cinco por ciento restante es materia bariónica: es lo que vemos con aspecto de estrellas, planetas y gas. Parece que lo visible vive gracias a fuerzas invisibles que no se comprenden.

Pero, en realidad, ni siquiera conocemos toda la materia convencional. El 40 por ciento de la materia bariónica que debe de existir no se puede atisbar por ninguna parte. La suma de galaxias, estrellas y nubes de gas, fuera y dentro de galaxias, halos y cúmulos, no permite que los cálculos cuadren. Sin embargo, un artículo que se acaba de publicar en Nature parece haber dado con la fracción perdida de la materia del Universo. Los científicos han encontrado evidencias de la presencia de una fracción de gas caliente situado entre galaxias (gas caliente intergaláctico), invisible hasta ahora, y que podría convertirse en la pieza que faltaba para completar el puzzle.

La mayor parte de la materia y de la energía del Universo no es como la que conocemos, la ordinaria. Dentro de esta, solo una pequeña parte forma parte de estrellas. La mayor parte está en forma de gas, a distintas temperaturas y en diferentes lugares (entre galaxias, dentro de ellas o rodeando a cúmulos de galaxias). Los autores de este estudio han encontrado evidencias de gas caliente intergaláctico
La mayor parte de la materia y de la energía del Universo no es como la que conocemos, la ordinaria. Dentro de esta, solo una pequeña parte forma parte de estrellas. La mayor parte está en forma de gas, a distintas temperaturas y en diferentes lugares (entre galaxias, dentro de ellas o rodeando a cúmulos de galaxias). Los autores de este estudio han encontrado evidencias de gas caliente intergaláctico

«Por primera vez hemos detectado una gran fracción de materia en el espacio intergaláctico en la cantidad y el estado físico predicho por simulaciones hace más de 20 años», ha explicado a ABC Fabrizio Nicastro, investigador en el Instituto Nacional de Astrofísica de Italia y en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica y primer autor del estudio. «Así que se puede decir que hemos resuelto el misterio de los bariones perdidos del Universo».

Desde hace dos décadas los astrofísicos tratan de refinar sus modelos sobre el nacimiento y la evolución de las galaxias partiendo del Big Bang. Es una de las formas de contestar a la apasionante pregunta de dónde venimos: ¿Cuál es la historia de la materia y la energía que forman parte de todo lo que conocemos? ¿Por qué el Universo más joven estaba constituido por una sopa caliente y homogénea de materia y energía pero después se colapsó en algunos puntos y permitió el nacimiento de galaxias?

Aspecto de la red cósmica, una maraña que da estructura al Universo
Aspecto de la red cósmica, una maraña que da estructura al Universo- NASA, ESA

Una de las explicaciones básicas es que en el Universo existe una «red cósmica» de filamentos de materia oscura que atraen a la materia convencional y que está en algunos «huecos» situados entre galaxias, el espacio intergaláctico. Precisamente es esta porción del Universo la que permitiría explicar dónde está la fracción de la materia que falta por encontrar.

Bastaría que la red atrapara a una buena cantidad de gas intergaláctico, lejos de la influencia de las galaxias. El problema que tiene esta idea es que es difícil de comprobar, porque en estas condiciones el gas tendría una densidad y una temperatura tan bajas que dificultarían poder detectarlo con los instrumentos actuales.

La luz que atraviesa las tinieblas

En esta ocasión, sin embargo, la investigación dirigida por Fabrizio Nicastro ha recurrido a un truco: han usado un tipo especial de cuásar (llamado BL Lacertae), una inmensa galaxia emisora de rayos X, como un faro con el que atravesar la niebla y la oscuridad.

Gracias a la ayuda del telescopio espacial de rayos X XMN-Newton, de la Agencia Espacial Europea (ESA), han estudiado la luz procedente de dicho cuásar, situado, a 2.200 Megaparsecs de la Tierra. Como los rayos X del cuásar interaccionan con ciertos átomos en su camino hacia la Tierra, los astrofísicos pueden deducir qué se encontraron en su trayecto: a qué temperatura estaba, cómo de denso era o por qué iones o átomos estaba formado.

Método de observacion del gas caliente intergaláctico, asociado a la red de filamentos cósmicos (en verde). La luz de un cuásar (izq.) atraviesa la red y es recogida por un telescopio
Método de observacion del gas caliente intergaláctico, asociado a la red de filamentos cósmicos (en verde). La luz de un cuásar (izq.) atraviesa la red y es recogida por un telescopio - ESA / XMM-Newton / F. Nicastro et al. 2018; cosmological simulation: R. Cen

«Ha sido una tarea heroica», ha explicado Jelle S. Kaastra, investigador en el Instituto de Investigación del Espacio de Holanda y coautor del estudio. El motivo es que las huella dejada por el gas intergaláctico es extremadamente débil.

En concreto, los científicos detectaron huellas de la presencia de iones de helio y de oxígeno, átomos cuyos electrones fueron arrancados y que están a temperaturas de millones de grados.

Gracias a una las observaciones con telescopios ópticos, entre los que ha estado el Gran Telescopio Canarias (GTC), los astrónomos hicieron un sondeo de galaxias en la región y averiguaron que allí eran más densas que en otras zonas, lo que concuerda con la existencia filamentos galácticos, capaces de concentrar la materia bariónica. Los análisis siguientes permitieron estimar la densidad de dicha materia, y comprobar que podría explicar entre el nueve y el 40 por ciento de la fracción perdida de la materia del Universo.

Resultados sólidos, pero no definitivos

«Es un estudio importante», ha explicado a ABC Jorge Sánchez Almeida, científico del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) que no ha participado en el trabajo pero que trabaja en procesos de formación de galaxias. «Pero no es la primera vez ni la última en la que se habla de esto. Es un trabajo que va en la línea de detectar los bariones que tienen que existir pero que, por su densidad y temperatura, resulta difícil encontrar».

Tal como ha escrito Taotao Fang, investigador de la Universidad de Xiamen, China, en un artículo de revisión sobre el estudio de Nicastro, aunque ha habido estudios que hablaban de la absorción la luz por parte de bariones antes, en este caso los resultados son más sólidos. Todo gracias a que se han detectado las huellas de dos iones a la vez, el helio y el oxígeno.

Falta aún por confirmar la distancia a la que está el cuásar estudiado, y descartar que la materia que ha absorbido los rayos X no esté en el medio intergaláctico sino dentro de galaxias. Si fuera así, los científicos no habrían descubierto una fracción desconocida de la materia del Universo.

Aunque la posibilidad de que esto sea así es baja, tanto Fang como Almeida como los propios autores del estudio subrayan la necesidad de hacer más observaciones y usar nuevas técnicas para descartarlo.

Fabrizio Nicastro ha dicho que tienen planeado hacer más observaciones similares con los instrumentos actuales. Sin embargo, ha matizado que «el gran paso adelante será usar instrumentos más potentes, que serán los que nos permitirá estudiar cientos de sistemas de forma rutinaria». Esto llegará, según opina, con el gran observatorio de rayos X Athena, de la ESA, que volará entre 2028 y 2030.

¿Por qué sabemos que hay materia invisible?

En la actualidad, los astrofísicos calculan la cantidad total de materia bariónica (convencional) que existe gracias a la radiación de fondo de microondas, el eco de energía más antiguo que se conoce y que se formó solo 380.000 años después del Big Bang. Tal como explica Almeida, este recurso indica «cómo eran las condiciones originales del Universo primitivo y la cantidad que había de bariones».

En un principio, estaban compuestos solo por los átomos más sencillos, el hidrógeno y el helio, pero después, las estrellas y las galaxias comenzaron a «quemar» estos combustibles y a fusionarlos para crear átomos más pesados, como el oxígeno o el nitrógeno.

Aspecto de la radiación de fondo de microondas. Los colores representan sutiles variaciones de temperatura que parecen ser importantes para la formación de galaxias y otras estructuras
Aspecto de la radiación de fondo de microondas. Los colores representan sutiles variaciones de temperatura que parecen ser importantes para la formación de galaxias y otras estructuras

Después de aquello, en las galaxias más lejanas que podemos observar (que son las primeras que se formaron), es posible comprobar que la cantidad de materia convencional hallada es compatible con los cálculos realizados sobre la cantidad de bariones que debe de haber. Pero en momento más recientes del Universo, donde las galaxias han vivido más tiempo y han alumbrado generaciones de estrellas, falta por encontrar una importante fracción de esa materia bariónica. ¿Por qué?

Fabrizio Nicastro explica que, cuando el Universo solo tenía unos dos mil millones de años de edad (de los 13.800 millones que tiene), la mayor parte de la materia convencional era difusa y estaba en el medio intergaláctico, pero estaba más fría que lo que estaba presente después. A causa de estas temperaturas, este gas era opaco ante la luz en el rango visible.

La larga vida del Universo

Pero después, «a medida que se acumuló materia en galaxias y cúmulos de galaxias –las estructuras que solemos interpretar como el Universo en sí—, la concentración de masa incrementó el tirón de la gravedad en algunos puntos». Dicho tirón hizo la evolución del Universo más violenta y repentina. Aportó combustible para las galaxias pero su velocidad de «caída» en estas estructuras era tan alta que provocó un calentamiento de dicho gas.

Llegó un punto en que el gas estaba tan caliente que dejó de ser visible en el rango óptico. Por eso no lo podemos ver, aunque esté presente en el medio intergaláctico, y tan solo podemos detectarlo a través de su interacción con los rayox X de otra fuente de luz, ya que la luz de esta longitud de onda sí interacciona con él. De ahí la dificultad de avistar el gas intergaláctico caliente hasta ahora.

Esta porción de la materia del Universo, que alcanza una proporción de hasta el 40 por ciento de toda la materia bariónica, está asociada al medio intergaláctico. Este es el espacio situado entre las galaxias y poblado por los filamentos de la red cósmica, vastas estructuras formadas por materia oscura y que son como el andamiaje en el que se forman y se mueven las galaxias.

Simulación por ordenador para la evolución del Universo. En rojo, filamentos de materia oscura. En los puntos donde interaccionan varios se acumuló materia convencional (bariónica) y se formaron galaxias. En estos filamentos, no visibles, hay gas intergaláctico caliente en la actualidad
Simulación por ordenador para la evolución del Universo. En rojo, filamentos de materia oscura. En los puntos donde interaccionan varios se acumuló materia convencional (bariónica) y se formaron galaxias. En estos filamentos, no visibles, hay gas intergaláctico caliente en la actualidad

Tal como ha explicado Jelle Kastraa, este gas intergaláctico caliente «puede estar en estructuras difusas de la red cósmica, asociado con las afueras de las galaxias, escapando de estas a través de fuertes vientos o en cúmulos de galaxias –gigantescas estructuras unidas por la gravedad y formadas por muchas galaxias–.».

El panorama es tan complejo como interesante. Almeida explica que el gas es indispensable para comprender la evolución de estrellas y galaxias, puesto que estas dejan en él los residuos de su evolución (por ejemplo los átomos que forman parte de estrellas, planetas y animales). La temperatura y la densidad que tiene el gas también contiene mucha información sobre los procesos que ocurren en este fascinante reino.

El investigador explica, por ejemplo, que la caída de gas intergaláctico en el seno de las galaxias, «encauzado» a través de los filamentos de materia oscura de la red cósmica, es fundamental. «Es el mecanismo que las mantiene vivas, que permite que sigan siendo lo que son, fábricas de estrellas». Sin él, en el Universo no habrían nacido estrellas en muchos miles de millones de años, porque las galaxias habrían consumido todo el gas del entorno con el que «producir» estrellas. Como si fueran sistemas circulatorios de un animal inconmensurable, los filamentos de la red cósmica son autopistas que dirigen el flujo de estos gases hacia los nodos donde están las galaxias. Gracias a eso, hay estrellas que nacen y mueren, y algunas que estallan, generando los átomos, de materia bariónica, que construyen planetas y seres vivos.