En octubre pasado, mientras el Telescopio Espacial James Webb realizaba sus primeras exposiciones prolongadas del cielo cerca de la constelación de Eridanus, los astrónomos comenzaron a reconstruir la historia de un punto de luz tenue y parpadeante que parecía emerger de los rincones más profundos del universo.

Fuera lo que fuese, brilló durante demasiado tiempo para ser una supernova; una sola estrella también estaba fuera de la mesa. "Parece como si estuvieras en una de esas películas de CSI, como si fueras un detective", dijo José María Diego, astrofísico del Instituto de Física de Cantabria en España que trabajó para descifrar la señal. "Hay muchos sospechosos sobre la mesa y hay que eliminarlos uno por uno".

Diego y sus colegas informaron recientemente que la tenue mancha de luz parece provenir de un sistema estelar extremo apodaron Mothra, un par de estrellas supergigantes que, en su apogeo, hace 10 mil millones de años, eclipsaron a casi todo lo demás en su galaxia.

En aquella época, el universo entero era más joven de lo que es ahora la Tierra; nuestro planeta sólo comenzó a fusionarse después de que los fotones de Mothra alcanzaron la mitad de su viaje cósmico hacia un mundo que desarrollaría un telescopio espacial gigante sensible al infrarrojo justo a tiempo para captar su luz. Detectar la luz emitida por sistemas estelares individuales, algo que hace mucho tiempo era imposible. Pero Mothra, que lleva el nombre de un monstruo kaiju inspirado en las polillas de la seda, es sólo el último de una serie reciente de sistemas estelares más antiguos, más lejanos y generalmente superlativos que los astrónomos han encontrado en imágenes del JWST y el Telescopio Espacial Hubble. Y en un giro, mientras Mothra y sus hermanos bestiales son objetos astrofísicos intrigantes por derecho propio, lo que más entusiasma a Diego es que la luz de las monstruosas estrellas parece revelar una clase muy diferente de objeto que flota entre ella y la Tierra: un objeto que de otro modo sería invisible. Un terrón de materia oscura que él y sus colegas calcularon pesa entre 10,000 y 2.5 millones de veces la masa del sol.

Si tal objeto realmente existe (una conclusión preliminar por ahora), podría ayudar a los físicos a limitar sus teorías sobre la materia oscura y tal vez, sólo tal vez, resolver el misterio de la masa inexplicable del universo.

A partir de 2023, los esfuerzos de laboratorio para rastrear partículas individuales de materia oscura han fracasado, dejando a algunos astrofísicos con la sospecha sombríamente pragmática de que la única forma en que los humanos pueden medir la misteriosa sustancia podría ser estudiando sus efectos gravitacionales en el universo en general. Entonces el equipo de Diego y otros están buscando los contornos fantasmales de objetos oscuros en el cosmos. Esperan identificar los grupos más pequeños de materia oscura que existen, lo que a su vez depende de la física básica de la propia partícula de materia oscura. Pero los trozos de materia oscura pura no se presentan simplemente a los astrónomos; Los equipos utilizan trucos de observación para sacar esas sombras de las sombras. Ahora los astrónomos se están centrando en fenómenos cósmicos que van desde lentes gravitacionales que deforman el espacio (el tipo de lupa invisible dominada por materia oscura que reveló a Mothra) hasta corrientes de estrellas revoloteantes en forma de cintas mucho más cercanas a casa. Hasta ahora, estos esfuerzos han descartado muchas variantes de un conjunto popular de modelos llamado “materia oscura cálida”.

"No se puede tocar la materia oscura", dijo Anna Nierenberg, un astrofísico de la Universidad de California en Merced que busca manchas interestelares oscuras con JWST. ¿Pero encontrar pequeñas estructuras hechas de él? "Eso es lo más cerca que podrías llegar".

Halo, Halo, Halo

Lo poco que sabemos sobre la materia oscura existe en contornos vagos y borrosos. Décadas de evidencia han sugerido que las teorías de la gravedad son incompletas o, como suelen argumentar los astrofísicos, una partícula de materia oscura ronda el universo. En una observación clásica, las estrellas parecían correr alrededor de las afueras de las galaxias como si estuvieran sujetas a una fuerza gravitacional mucho más fuerte de lo que sugeriría la materia visible. Al medir los movimientos de estas estrellas y aplicar otras técnicas que identifican regiones del espacio con peso adicional, los astrónomos pueden visualizar cómo se distribuye la materia oscura del universo a escalas mayores.

"Si tuviéramos gafas de materia oscura", dijo Nierenberg, alrededor de cada galaxia probablemente veríamos "una estructura grande, difusa, extendida y con forma de sandía que es mucho más grande que la propia galaxia". Para nuestra propia Vía Láctea, los astrónomos estiman que este capullo oscuro y difuso, denominado halo, pesa aproximadamente un billón de masas solares y es más de 10 veces más ancho que el disco espiral de estrellas de la galaxia.

Sin embargo, si nos acercamos a escalas más pequeñas, la certeza científica se desmorona. ¿Es el halo de materia oscura de la Vía Láctea una mancha suave? ¿O está dispuesto en grupos, llamados subhalos? Y si es así, ¿de qué tamaño son esos grumos?

Las respuestas podrían permitir a los científicos identificar la verdadera naturaleza de la materia oscura. Los modelos de cómo el universo evolucionó hasta su estructura actual (una red cósmica tejida por hilos nacarados de galaxias) predicen que las partículas de materia oscura, sean lo que sean, se reunieron en pequeños grupos unidos gravitacionalmente durante los primeros cientos de miles de años después del Big Bang. Muchos de esos grupos se fusionaron y finalmente arrastraron materia visible. Estos se convirtieron en las semillas de las galaxias. Pero algunos de los halos oscuros más pequeños que no se fusionaron aún deberían existir como "restos de la formación de estructuras en el universo temprano", dijo Ethan Nadler, astrofísico de los Observatorios Carnegie y de la Universidad del Sur de California. "Algo así como una máquina del tiempo".

Encontrar y pesar estos grupos de reliquias ayudaría a los físicos a comprender mejor la física básica de la materia oscura, incluida la masa de la misteriosa partícula y su "temperatura", un término un tanto engañoso que describe la velocidad a la que se mueven las nubes de partículas individuales.

Uno de los principales sospechosos en el misterio de la materia oscura es la materia oscura fría, una clase de modelos en los que los culpables son partículas relativamente pesadas y lentas; un ejemplo es una partícula masiva que interactúa débilmente, o WIMP. Si estas teorías son correctas, tales partículas se habrían asentado fácilmente en grupos autogravitantes en el universo primitivo, algunos de los cuales podrían haber sido tan pequeños como la masa de la Tierra. Hoy en día, estos minihalos persistentes de materia oscura todavía deberían estar a la deriva dentro y alrededor del halo colectivo más grande de galaxias como la Vía Láctea.

Pero si las partículas de materia oscura más ligeras atravesaran el cosmos primitivo más rápido, como sugiere una clase competidora de modelos de materia oscura "cálida", sólo se podrían haber formado grupos más grandes con una atracción gravitacional más fuerte. Estos modelos sugieren que existe un límite para las estructuras de materia oscura, una masa mínima debajo de la cual no existen halos. Entonces, cada vez que alguien descubre un halo oscuro nuevo, el más pequeño conocido (como el supuesto entre la Tierra y Mothra), los teóricos se ven obligados a descartar escenarios progresivamente más fríos.

Otra clase popular de modelos, llamada materia oscura difusa, supone sólo un susurro de una partícula de materia oscura, tal vez 10²⁸ veces más ligero que un electrón. Las partículas hipotéticas llamadas axiones, por ejemplo, podrían tener este rango de tamaño y además estar relativamente frías. Estos pesos pluma se comportarían más como ondas que como partículas, ondeando a través de las galaxias. Al igual que la materia oscura cálida, esta encarnación ondulatoria no formaría grupos unidos gravitacionalmente en escalas de masa más pequeñas que las galaxias. Pero la materia oscura ultraligera tendría otra información. A medida que las ondas de materia oscura difusa se superponen entre sí dentro de un halo, podrían formar patrones de interferencia más pequeños llamados gránulos (regiones de aspecto granulado donde la densidad de materia oscura es mayor) que impartirían su propia firma gravitacional mensurable.

Descartar algunas de estas teorías requiere encontrar (o notoriamente no encontrar) halos de materia oscura con masa cada vez menor. La búsqueda comenzó identificando los halos más diminutos que se sabe que envuelven galaxias enanas, acumulaciones de materia oscura que todavía pesan cientos de millones de masas solares, y ahora se está abriendo camino hacia lo desconocido. El problema, sin embargo, es que estos hipotéticos pequeños halos oscuros probablemente carezcan del peso gravitacional necesario para atraer materia regular e encender estrellas. No se pueden ver directamente: son poco más que sombras densas. "La búsqueda de pruebas ha continuado", dijo Matthew Walker, astrofísico de la Universidad Carnegie Mellon. "Es simplemente difícil de encontrar".

Lecciones de lentes

Las búsquedas más avanzadas actuales de subhalos pequeños y oscuros se basan en un fenómeno casi milagroso: las lentes gravitacionales. Predichas por Einstein, las lentes gravitacionales son regiones de espacio-tiempo deformadas que rodean un objeto masivo. El campo gravitacional de ese objeto (la lente) distorsiona y enfoca la luz de fondo de la misma manera que una lupa puede ampliar la imagen de una hormiga o concentrar la luz solar lo suficiente como para encender un fuego.

Cada alineación de lentes involucra una fuente de luz que brilla desde las costas lejanas del universo y la lente misma. A menudo, estas lentes son galaxias masivas o cúmulos de galaxias que deforman el espacio-tiempo y resultan estar alineadas, por casualidad cósmica, entre esa fuente distante y la Tierra. Las lentes producen una variedad de efectos ópticos, desde arcos de luz hasta múltiples copias de la misma fuente de fondo e imágenes muy ampliadas de objetos que de otro modo estarían demasiado lejos para verse.

Sólo pescando a través del cosmos con lentes, en 2017 los astrónomos fotografiaron Icarus, una estrella que brilló hace unos 9 mil millones de años. Más recientemente, encontraron a Eärendel, de casi 13 mil millones de años, que actualmente posee el récord de la estrella más antigua, que arroja tanta luz por sí solo como 1 millón de soles. También vieron a Godzilla, una estrella distante monstruosamente energética. sufriendo un estallido explosivo, y el monstruo compañero de Godzilla, Mothra, que parece ser un tipo similar de objeto variable. (“Y sí, nos estamos divirtiendo con esto”, dijo Diego sobre el proceso de nombramiento de su equipo).

Pero las lentes gravitacionales no son sólo portales al otro lado del universo. Los cazadores de materia oscura han considerado durante mucho tiempo que las lentes son al menos tan interesantes como lo que aumentan. Las formas precisas en que la lente deforma y distorsiona la imagen de fondo corresponden a cómo se distribuye la masa dentro y alrededor de la galaxia o cúmulo lente. Si la materia oscura existe en pequeños grupos sin estrellas dentro del patrón conocido de halos del tamaño de una galaxia, entonces los astrónomos también deberían poder ver la luz que se curva alrededor de esos grupos.

Los halos oscuros más pequeños detectados mediante este método ya rivalizan con los halos más pequeños medidos alrededor de galaxias enanas. En 2020, un equipo que incluía a Nierenberg utilizó el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio Keck en Hawai'i para observar imágenes ampliadas de cuásares (faros de luz resplandecientes emitidos por la materia que cae en agujeros negros) y encontró evidencia de halos oscuros tan pequeños como cientos de millones de masas solares. Ese es el mismo tamaño aproximado de halo asociado con las galaxias más pequeñas, un nivel de acuerdo estadístico que Nadler, en un estudio publicado el año siguiente, se utilizó para descartar modelos de materia oscura cálida compuestos por partículas más ligeras que aproximadamente 1/50 de un electrón, en los que nunca podrían formarse grupos tan diminutos.

Mientras tanto, este año, dos equipos utilizaron cuásares con lentes para buscar granos de partículas de materia oscura borrosas y ligeras como una pluma, granos que se formarían mediante un proceso similar al que hace que aparezcan ondas en la superficie de una piscina, según el primer autor. de uno de estos estudios, Devon Powell del Instituto Max Planck de Astrofísica. "Se obtiene una distribución muy caótica y desigual del asunto", dijo. "Es sólo interferencia de ondas".

El análisis de su equipo, publicado en junio en Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, no encontró evidencia de efectos ondulatorios de la materia oscura en imágenes de alta resolución de arcos de luz de una lente gravitacional, lo que sugiere que la partícula oscura debe ser más pesada que los candidatos borrosos más pequeños. Pero un estudio de abril en Naturaleza Astronomía, dirigido por Alfredo Amruth de la Universidad de Hong Kong, observaron cuatro copias lentificadas de un quásar de fondo y llegaron a la conclusión opuesta: una lente hecha de materia oscura borrosa, argumentaron, mejor explicado pequeñas fluctuaciones en sus datos. (Los hallazgos contradictorios no serían del todo sorprendentes dado que las señales esperadas son sutiles y el enfoque experimental es nuevo, dicen expertos externos a ambos equipos). ¿Cuánto.)

Mientras tanto, Nierenberg y sus colegas han pasado el último año utilizando JWST para observar lentes gravitacionales que magnifican los quásares, con el objetivo provisional de publicar su primer análisis en septiembre. En teoría, calculan que la capacidad del JWST para descubrir estructuras a pequeña escala en lentes debería revelar si los halos oscuros existen como grupos completamente invisibles y sin estrellas con un rango de tamaño de decenas de millones de masas solares. De ser así, esos halos impondrían la limitación más fuerte hasta el momento sobre cuán “cálida” puede ser la materia oscura.

Este método aún más nuevo de observar estrellas extremas y lejanas como Mothra a través de lentes gravitacionales pronto podría pasar de identificar curiosidades únicas a convertirse en una característica habitual de la astronomía en la era JWST. Si Diego y sus colegas están en lo cierto, y pueden ver Mothra porque está siendo captado por un grupo de materia oscura que pesa menos de unos pocos millones de masas solares, esa observación por sí sola descartaría una amplia franja de modelos de materia oscura cálida. Pero aún soportaría materia oscura tanto fría como difusa, aunque en el último caso (donde el aumento adicional de Mothra proviene de un gránulo denso de materia oscura en lugar de un grupo gravitacionalmente unido) aún forzaría a la materia oscura difusa a un rango estrecho. de masas posibles.

Los astrónomos están desenterrando muchas más estrellas con lentes con el Hubble y el JWST, dijo Diego, atentos a otras distorsiones ópticas anómalas que podrían provenir de la luz de las estrellas que se curva alrededor de pequeños objetos oscuros. "Apenas estamos empezando a arañar la superficie", dijo. "No tomo muchas vacaciones estos días".

Islas oscuras en una corriente de estrellas

Otras búsquedas de pequeños halos de materia oscura se centran en estrellas mucho más cercanas: aquellas en serpentinas cerca de la Vía Láctea y estrellas binarias en galaxias enanas cercanas. En 2018, Ana Bonaca, ahora astrofísico de los Observatorios Carnegie, se apresuró a descargar datos de la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que mide los movimientos de casi 2 mil millones de estrellas en la Vía Láctea. Bonaca analizó esas observaciones iniciales y aisló la información de estrellas que pertenecen a una estructura llamada GD-1. Lo que vio fue “inmediatamente súper emocionante”, dijo. "Nos apresuramos a escribir un artículo durante la próxima semana más o menos".

GD-1 es una corriente estelar, una cadena suelta de estrellas de la Vía Láctea que, si pudiera distinguirse a simple vista, se extendería más de la mitad del cielo nocturno. Estas estrellas fueron expulsadas de un cúmulo estelar globular hace mucho tiempo; ahora orbitan la Vía Láctea a ambos lados de ese cúmulo, moviéndose detrás y delante de su camino como boyas que marcan un canal interestelar.

En su análisis del GD-1, el equipo de Bonaca encontró la huella teórica de un trozo de materia oscura interpuesto. Específicamente, parte de GD-1 parecía dividida en dos, como si un enorme objeto invisible hubiera recorrido el rastro, arrastrando estrellas a su paso. Calcularon que ese objeto que pasaba podría haber sido un subhalo de materia oscura que pesaba unos pocos millones de masas solares, lo que lo convierte también en un candidato para ser el grupo de materia oscura más pequeño y una amenaza potencial para las variantes más cálidas de materia oscura cálida. .

Pero, ¿cómo convertir un único hallazgo en algo más estadístico? Hasta ahora, dijo Bonaca, los astrónomos han registrado alrededor de 100 corrientes estelares. Si bien solo se han estudiado en detalle unos pocos, cada uno de los que se ha examinado tiene sus propias curvaturas y curvaturas inusuales que pueden provenir de encuentros gravitacionales con objetos oscuros igualmente pequeños. Pero las observaciones aún no son concluyentes.

"Creo que la mejor manera de avanzar es analizar las corrientes simultáneamente", dijo, "para comprender en qué medida [esas características inusuales] provienen de la materia oscura".

En escalas aún más pequeñas, Walker, de Carnegie Mellon, ha pasado el último año analizando las observaciones del JWST de galaxias enanas en busca de los sistemas estelares más frágiles que ha podido encontrar: estrellas binarias que están muy alejadas unas de otras y mantenidas juntas en un débil abrazo gravitacional. Si pequeños halos oscuros (el tipo de objetos que los modelos de materia oscura fría dicen que deberían ser abundantes) pasan continuamente y ejercen atracción gravitacional sobre sus alrededores, estas binarias muy amplias no deberían existir. Pero si aparecen binarios anchos, eso sugiere que no hay pequeños halos oscuros presentes, lo que supone un duro golpe contra los muchos modelos de materia oscura fría que los predicen.

"Es lo que yo llamo una lucha contra la búsqueda de halos de materia oscura subgaláctica", dijo Walker.

Moviéndose en las paredes

La búsqueda de sombras cósmicas sigue siendo una pequeña parte de un esfuerzo mayor para localizar algo que hasta ahora se ha mantenido fuera de nuestro alcance. Se llevan a cabo experimentos terrestres diseñados para atrapar partículas que se ajusten a los paradigmas de materia oscura difusa, cálida y fría; Los equipos todavía están buscando otras características de la física de la materia oscura, desde productos secundarios producidos cuando las partículas interactúan con la materia normal, hasta la sutil cuestión de cómo la densidad de la materia oscura aumenta y disminuye dentro de los halos oscuros, que depende de cómo interactúan las partículas oscuras. juntos.

Tracy Slatier, físico teórico del Instituto Tecnológico de Massachusetts, visualiza el misterio de la materia oscura como una vasta caja llena de innumerables posibilidades pero que solo contiene una respuesta correcta. En esta analogía, su estrategia es profundizar en esa caja con ideas específicas y refutables sobre las propiedades de las partículas de materia oscura. Los lados de la caja, sin embargo, representan los únicos hechos verdaderamente limitantes que los astrónomos pueden proporcionar, como los límites superiores de cuán cálida puede ser la materia oscura y los límites inferiores de cuán difusa (o liviana) puede ser.

Si los astrónomos pudieran detectar con confianza objetos cósmicos completamente oscuros en el rango de un millón de masas solares, eso sería un "tour de force de observación", dijo Slatyer. "Sería increíble". Las paredes de su caja se moverían hacia adentro, reduciendo el espacio disponible para las posibilidades.

La próxima tecnología pronto podría transformar estas diversas búsquedas, que pasaron de ser puñaladas tempranas en la oscuridad a incursiones más profundas en las estructuras sombrías que sustentan el universo. JWST profundizará su estudio de lentes gravitacionales en los próximos años; El grupo de Nierenberg, por ejemplo, comenzó con ocho de estos sistemas, pero planea analizar eventualmente 31 de ellos. Cuando se lance en 2027, el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace, un observatorio del tipo Hubble con un campo de visión mucho más amplio, debería hacer que sea mucho más fácil observar galaxias enanas como lo está haciendo Walker. El Observatorio Vera C. Rubin, que lleva el nombre del astrónomo pionero cuyas observaciones obligaron a los investigadores a tomarse en serio el misterio de la materia oscura, revelará más detalles de las corrientes estelares una vez que comience a observar desde Chile en 2024. Juntos, los dos observatorios Deberíamos encontrar miles de nuevas lentes gravitacionales que puedan rastrearse en busca de subestructuras oscuras.

Hasta ahora, ninguna de las observaciones ha derribado los populares modelos de materia oscura fría, que predicen que el universo está plagado de grupos cada vez más pequeños de esa materia. Mientras los astrónomos continúan el agotador trabajo de buscar esos grupos, muchos teóricos y experimentadores esperan que un experimento de física de partículas en la Tierra llegue al corazón del misterio mucho más rápido. Pero descubrir estos focos aislados de oscuridad -y cualquier física intrincada que los acompañe- es como "conseguir un laboratorio más limpio", dijo Slatyer. "Estamos en un momento emocionante".