Un nuevo mapa del Universo revela la existencia de 'puentes ocultos' de materia oscura entre las galaxias

Como es sabido, la materia oscura es una esquiva sustancia que hasta ahora los científicos no han conseguido observar directamente, pero cuya presencia y distribución puede inferirse por los efectos gravitacionales que ejerce sobre estrellas y galaxias. Cinco veces más abundante que la materia ordinaria, de la que está hecho todo lo que podemos ver, la materia oscura proporciona también el esqueleto de lo que los cosmólogos llaman 'la red cósmica' , la estructura a gran escala del Universo que regula el movimiento de todo lo que hay en él.

A pesar de ello, y debido a que no se puede observar directamente ya que no emite radiación alguna, se desconoce cuál es la distribución "local" de la materia oscura, y los investigadores se ven obligados a deducir su distribución basándose en sus efectos gravitacionales sobre otros objetos, como galaxias y cúmulos galácticos.

"Irónicamente -explica el profesor de astronomía y astrofísica Donghui Jeong, uno de los autores del estudio- resulta más fácil estudiar la distribución de la materia oscura más lejana porque refleja un pasado remoto que es mucho menos complejo. Con el tiempo, y a medida que la estructura a gran escala del Universo fue creciendo, su complejidad aumentó, por lo que es inherentemente más difícil realizar mediciones sobre la materia oscura a escala local".

La mayor parte de los intentos anteriores de mapear la red cósmica empezaban con un modelo de universo temprano cuya evolución se simulaba después haciendo avanzar el modelo a lo largo de miles de millones de años. Sin embargo, ese método no ha conseguido hasta ahora producir resultados lo suficientemente detallados como para observar el universo local.

En el nuevo estudio, sin embargo, los investigadores adoptaron un enfoque muy distinto, utilizando el aprendizaje automático (machine learning) para construir un modelo que utiliza información sobre la distribución y el movimiento de las galaxias para predecir la distribución de la materia oscura.

De este modo, los investigadores construyeron y entrenaron su modelo utilizando un gran conjunto de simulaciones de galaxias, llamado Illustris-TNG, que incluye galaxias, nubes de gas, otra materia visible y materia oscura. El equipo seleccionó específicamente galaxias simuladas comparables a la Vía Láctea, y finalmente identificó qué propiedades de las galaxias son necesarias para predecir la distribución de la materia oscura.

"Esencialmente -prosigue Jeong- cuando se le alimenta con cierta información, el modelo es capaz de llenar los vacíos basándose en lo que ha visto antes. El mapa generado por nuestro modelo no se ajusta perfectamente a los datos de la simulación, pero aún así podemos reconstruir estructuras muy detalladas. Descubrimos que incluir el movimiento de las galaxias, sus velocidades radiales peculiares, además de su distribución, mejoraba drásticamente la calidad del mapa y nos permitía ver estos detalles".

Más tarde, los investigadores aplicaron su modelo a datos reales del universo local, obtenidos del catálogo de galaxias Cosmicflow-3 , que contiene datos completos sobre la distribución y el movimiento de más de 17 mil galaxias en las cercanías de la Vía Láctea, dentro de los 200 megaparsecs de distancia (cada megaparsec equivale a 3,2 millones de años luz).

El mapa reprodujo con éxito estructuras ya conocidas del universo local, incluidas la región de espacio que contiene la Vía Láctea y demás galaxias del "grupo local", y también el llamado "vacío local", un sector de espacio relativamente despoblado junto al grupo local. Pero también identificó varias estructuras nuevas, entre ellas una serie de filamentos que conectan las galaxias.

"Tener un mapa local de la red cósmica abre un nuevo capítulo de estudios cosmológicos -afirma Jeong-. Ahora podremos estudiar cómo se relaciona la distribución de la materia oscura con otros datos de emisión, lo que nos ayudará a comprender la naturaleza de la materia oscura. Y podremos estudiar esas estructuras filamentosas directamente, esos puentes ocultos entre galaxias".

Por ejemplo, se ha sugerido que las galaxias Vía Láctea y Andrómeda se están moviéndo una hacia la otra, pero no está aún del todo claro si llegarán algún día a colisionar . El estudio de los filamentos de materia oscura que conectan las dos galaxias podría proporcionar información importante sobre su futuro.

"Debido a que la materia oscura domina la dinámica del Universo -prosigue el investigador-, básicamente determina nuestro destino. Así que podemos pedirle a una computadora que desarrolle el mapa durante los próximos miles de millones de años para ver qué sucederá en el universo local. Y también podemos hacer evolucionar el modelo hacia atrás en el tiempo para comprender la historia de nuestro vecindario cósmico".

Con todo, los investigadores creen que aún pueden mejorar la precisión de su mapa agregando más galaxias. Los estudios astronómicos planificados, por ejemplo, utilizando el telescopio espacial James Webb , podrían permitirles agregar galaxias débiles o pequeñas que aún no se han observado y galaxias mucho más lejanas.