Hydrodynamical simulations of the merging cluster El Gordo in a two-state self-interacting dark matter scenario

En lo profundo de la vasta red cósmica, donde las galaxias se agrupan en cúmulos masivos, una sustancia oculta conocida como materia oscura mantiene todo unido. Durante décadas, la teoría predominante ha sido que esta materia invisible es "fría" y "sin colisiones", lo que significa que sus partículas pasan a través de una otra como fantasmas, interactuando solo a través de la gravedad. Sin embargo, esta visión estándar lucha por explicar ciertos misterios a pequeña escala en el universo, lo que ha llevado a algunos científicos a proponer que la materia oscura podría, en realidad, chocar consigo misma, intercambiando energía y cantidad de movimiento como bolas de billar. Esta idea, llamada materia oscura autointeractuante, ofrece una solución potencial a esos enigmas de pequeña escala, pero crea un nuevo problema: si la materia oscura colisiona con demasiada facilidad, debería dejar tras de sí brechas claras y mensurables entre la materia oscura y las galaxias visibles en los choques de cúmulos de galaxias. Un cúmulo como este, un sistema colosal y distante apodado "El Gordo", ha sido un dolor de cabeza particular para los astrónomos porque su materia oscura y sus galaxias parecen estar separadas de una manera que desafía tanto la teoría estándar de los fantasmas como las versiones más simples de la teoría de colisiones.

Para resolver este rompecabezas cósmico, un investigador de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados en Italia realizó una serie masiva de simulaciones por computadora para ver si una versión más compleja de la materia oscura autointeractuante podría explicar el extraño comportamiento de El Gordo. El estudio se centra en un escenario específico donde las partículas de materia oscura existen en dos estados diferentes, de forma similar a cómo un átomo puede estar en un estado fundamental o en un estado excitado. En este modelo, cuando dos partículas de materia oscura colisionan, a veces pueden absorber energía para saltar a ese estado superior, excitado. Este proceso, conocido como dispersión ascendente endotérmica (up-scattering), actúa como un freno en la colisión, alterando cómo se comporta la materia oscura durante el violento choque de dos cúmulos de galaxias. El investigador construyó un gemelo digital de El Gordo, un sistema en fusión situado tan lejos que lo vemos tal como era hace miles de millones de años, y probó cómo se desarrollarían diferentes tipos de interacciones de materia oscura a lo largo del tiempo.

Las simulaciones revelaron que un modelo simple donde las partículas de materia oscura simplemente rebotan entre sí elásticamente no puede igualar completamente las observaciones de El Gordo. Si bien tal modelo podría explicar por qué la materia oscura y las galaxias están separadas, no logró reproducir la forma correcta de la atracción gravitatoria de la materia oscura, conocida como perfil de lente (lensing profile), que es cómo los astrónomos miden la masa de estas estructuras invisibles. La clave para resolver esto fue la inclusión del canal de dispersión ascendente que absorbe energía. Los resultados mostraron que cuando las partículas de materia oscura tienen la oportunidad de absorber energía durante una colisión, crean un perfil de densidad que coincide mucho mejor con las mediciones del mundo real. Específicamente, las simulaciones encontraron que la mejor coincidencia ocurre cuando la materia oscura tiene una tasa de colisión elástica de aproximadamente 4 a 6 centímetros cuadrados por gramo, combinada con un canal de dispersión ascendente inelástico que absorbe energía y opera a una tasa de aproximadamente 2 a 4 centímetros cuadrados por gramo, pero solo cuando las partículas se mueven a velocidades de entre 1,200 y 1,600 kilómetros por segundo.

Estos hallazgos sugieren que el choque único y de alta velocidad de El Gordo, donde los dos cúmulos se separan a más de 2,000 kilómetros por segundo, proporciona las condiciones perfectas para que ocurra este tipo específico de interacción de materia oscura. Las simulaciones reprodujeron con éxito la distintiva forma de rayos X de doble cola del cúmulo y los desfases específicos entre la materia oscura, el gas caliente y las galaxias. Sin embargo, el autor advierte cuidadosamente que esta conclusión es altamente sensible a las mediciones exactas de la masa del cúmulo y la distancia entre las dos partes en colisión. Si las observaciones futuras muestran que el cúmulo primario es significativamente más ligero de lo que se cree actualmente, o que las dos partes están más alejadas, este modelo específico de materia oscura autointeractuante podría ya no ajustarse a los datos. El estudio esencialmente argumenta que, mientras la teoría estándar de los "fantasmas" falla al explicar la separación, y las teorías simples de "rebote" fallan en la prueba de lente, una materia oscura de dos estados que puede absorber energía durante colisiones de alta velocidad ofrece una explicación convincente, aunque compleja, del comportamiento de este gigante cósmico.

En última instancia, este trabajo destaca que la naturaleza de la materia oscura puede depender fuertemente de la energía del entorno en el que habita. El investigador sugiere que las observaciones futuras de otros cúmulos en fusión masivos y de alta velocidad serán el factor decisivo para confirmar si este escenario de dos estados es la verdadera naturaleza de la materia oscura o simplemente un truco ingenioso de simulación. El estudio no pretende haber resuelto el misterio de la materia oscura de una vez por todas, pero proporciona un marco sólido y comprobable que cierra la brecha entre observaciones conflictivas, ofreciendo un camino a seguir para que los astrónomos distingan entre diferentes teorías del andamiaje invisible del universo.