El objeto oscuro más ligero jamás detectado: un hallazgo que redefine los límites de la materia oscura

Nadie lo ha visto, pero su gravedad lo delata: un objeto invisible, más liviano que cualquier otro detectado, se oculta en un arco de luz cósmico. Su existencia podría cambiar nuestra comprensión de cómo se agrupa la materia oscura en el universo.

Por Enrique Coperías

Recreación artística del sistema de lente gravitacional JVAS B1938+666, donde astrónomos han detectado el objeto oscuro de menor masa conocido. La irregularidad en el anillo de Einstein revela su huella gravitatoria, pese a que el objeto en sí no emite luz. Imagen generada con DALL_E

Por primera vez, un equipo internacional de astrónomos ha detectado un objeto oscuro con una masa de apenas un millón de soles —el más ligero descubierto hasta la fecha fuera del entorno de la Vía Láctea—, y lo ha hecho sin ver una sola partícula de luz.

La proeza no se ha logrado con telescopios ópticos ni rayos X, sino gracias a una técnica de precisión casi quirúrgica: la imagen gravitatoria, que detecta cómo la gravedad de un objeto invisible distorsiona la luz de una galaxia lejana.

El hallazgo, publicado en la revista Nature Astronomy por investigadores del Instituto Max Planck de Astrofísica (Alemania), la Universidad de Groninga (Países Bajos) y el Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica, abre una nueva ventana para estudiar las estructuras más pequeñas del cosmos y, con ello, poner a prueba la naturaleza de la materia oscura, el componente invisible que constituye cerca del 85% de la materia del universo.

Una sombra en el arco de luz: cómo se descubrió el objeto oscuro más ligero

La observación se centró en un sistema ya conocido por los astrónomos: JVAS B1938+666, una galaxia elíptica situada a unos 7.000 millones de años luz de la Tierra que actúa como una lupa cósmica sobre una galaxia aún más lejana, a más del doble de esa distancia. La luz de esta última se curva y amplifica al pasar por la masa de la galaxia intermedia, produciendo un anillo o arco de Einstein, una forma brillante que rodea a la lente.

Los investigadores utilizaron una red mundial de radiotelescopios —una combinación de la Very Long Baseline Array y la Red Europea de Interferometría de Muy Larga Base (VLBI)— para obtener una imagen del sistema con una resolución de milisegundos de arco, lo suficiente como para detectar una diminuta irregularidad en ese arco luminoso. Ese pequeño defecto, una discontinuidad apenas perceptible, era la huella de un intruso gravitatorio: un objeto compacto y oscuro, invisible por sí mismo pero capaz de desviar la luz de su entorno.

«Buscar objetos oscuros que no parecen emitir ninguna luz es, evidentemente, un desafío —explica Devon Powell, investigador del Instituto Max Planck de Astrofísica y autor principal del estudio. Y añade—: Como no podemos verlos directamente, utilizamos galaxias muy lejanas como una especie de luz de fondo para buscar sus huellas gravitatorias».

νν, el nuevo objeto misterioso

«Desde la primera imagen de alta resolución observamos de inmediato un estrechamiento en el arco gravitacional, lo que es una señal inequívoca de que habíamos encontrado algo —recuerda John McKean, de la Universidad de Groningen, la Universidad de Pretoria y el Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica, responsable de la recogida de datos—. Solo otro pequeño cúmulo de masa entre nosotros y la lejana galaxia de radio podía provocar ese efecto».

«Cuando añadimos este pequeño perturbador al modelo de lente, el defecto desapareció y la imagen volvió a encajar con los datos observados —añade Powell—. Esa mejora, estadísticamente muy significativa, solo puede explicarse por la presencia real de una masa adicional en ese punto».

El equipo bautizó el objeto como νν (nu-nu) y determinó que encierra una masa de (1,13 ± 0,04) × 10⁶ masas solares dentro de un radio de 80 pársecs —unos 260 años luz—. Su posición está tan bien determinada que el margen de error equivale a apenas 1,5 pársecs, una precisión sin precedentes a esa escala y distancia.

Superposición de la emisión infrarroja (en blanco y negro) con la emisión de radio (en color). El objeto oscuro y de baja masa se encuentra en la interrupción del arco brillante, en el lado derecho de la imagen.

Superposición de la emisión infrarroja (en blanco y negro) con la emisión de radio (en color). El objeto oscuro y de baja masa se encuentra en la interrupción del arco brillante, en el lado derecho de la imagen. Cortesía: Keck/EVN/GBT/VLBA

Una aguja gravitatoria en un pajar cósmico: la técnica de imagen gravitatoria

Hasta ahora, los objetos de masas tan pequeñas (del orden de un millón de soles o menos) solo se habían observado en el entorno local del universo, como cúmulos globulares y galaxias enanas. Detectar algo así a miles de millones de años luz parecía inalcanzable, pues esos cuerpos apenas emiten luz y quedan completamente eclipsados por el brillo de las galaxias que los albergan.

El secreto del descubrimiento reside en lo que se conoce como gravitación pura. Cuando una galaxia lejana es amplificada por una lente gravitacional, su luz se distribuye en arcos o anillos. Si en medio de ese trayecto hay una pequeña concentración de masa —un subhalo de materia oscura, un cúmulo o un agujero negro intermedio—, su campo gravitatorio introduce un pliegue minúsculo en ese patrón. Con suficiente resolución, ese pliegue puede medirse, y de ahí inferirse la masa y la posición del objeto que lo provoca.

Recordemos que una lente gravitacional es un fenómeno que ocurre cuando la gravedad de un objeto muy masivo, como una galaxia o un cúmulo de galaxias, curva la trayectoria de la luz que proviene de otro objeto más lejano situado detrás. Este efecto, predicho por Albert Einstein en la teoría de la relatividad general, actúa como una lupa cósmica que puede amplificar, distorsionar o multiplicar la imagen del objeto de fondo. Según el grado de alineación y la masa de la lente, pueden formarse arcos, anillos —conocidos como anillos de Einstein— o múltiples copias de una misma galaxia. Las lentes gravitacionales no solo permiten estudiar galaxias muy distantes, sino también detectar la presencia de materia oscura, ya que esta influye en la curvatura de la luz aunque no emita radiación alguna.

En este caso, los astrónomos recurrieron a una técnica conocida como imagen gravitatoria, que combina modelado paramétrico y reconstrucción bayesiana de la distribución de masa en la lente. El análisis permitió identificar primero una anomalía en la región más brillante del arco, y después confirmar su naturaleza mediante un modelo físico independiente. El resultado fue inequívoco: una detección con una significancia estadística de 26 sigmas, equivalente a una probabilidad de error de una parte en cien trillones.

«No hay duda de que está ahí», resume Powell.

Un laboratorio natural para entender la materia oscura

El interés del hallazgo va mucho más allá del propio objeto. Lo verdaderamente relevante es lo que puede decir sobre cómo se organiza la materia oscura en escalas diminutas. Según el modelo cosmológico estándar, conocido como ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter), las galaxias se forman dentro de enormes halos de materia oscura, que a su vez contienen una miríada de subhalos más pequeños, del tamaño de cúmulos estelares o galaxias enanas.

Sin embargo, las observaciones directas de estos subhalos han sido escasas y, sobre todo, limitadas a masas de más de cien millones de soles.

El nuevo objeto νν es cien veces menos masivo que los detectados hasta ahora mediante lente gravitacional, y por tanto constituye la primera evidencia directa de una estructura de materia oscura en el rango del millón de masas solares a distancias cosmológicas. Su mera existencia confirma que las predicciones del modelo ΛCDM siguen siendo coherentes incluso en el extremo más bajo de la jerarquía de masas.

«Dada la sensibilidad de nuestros datos, esperábamos encontrar al menos un objeto oscuro, de modo que nuestro descubrimiento es coherente con la llamada teoría de la materia oscura fría, en la que se basa buena parte de nuestra comprensión de cómo se forman las galaxias —dice Powell. Y añade—: Ahora que hemos encontrado uno, la cuestión es si podremos descubrir más, y si su número seguirá coincidiendo con lo que predicen los modelos».

Los autores calcularon la probabilidad de encontrar un objeto así en la región observada. Si la materia oscura está compuesta por partículas frías, como postula el modelo dominante, la probabilidad es alta: alrededor del 65%. Pero si la materia oscura fuese templada o caliente —formada por partículas más ligeras que se mueven más rápido y tienden a suavizar las estructuras pequeñas—, la probabilidad de hallarlo caería al 36% o incluso al 14%, dependiendo del tipo de partícula.

«Por ahora, el resultado no contradice ninguno de los modelos —señala Simona Vegetti, coautora del estudio—. Ahora bien, marca una frontera experimental decisiva para diferenciarlos en el futuro».

¿Qué es realmente νν? El misterio de la masa invisible

El objeto podría ser un subhalo de materia oscura, una pequeña concentración sin estrellas incrustada en el halo mayor de la galaxia lente. Pero no es la única posibilidad. Los investigadores compararon su señal con la que producirían otros candidatos: un agujero negro intermedio, un cúmulo globular o incluso una galaxia ultracompacta.

Las dos primeras opciones fueron descartadas con alta significación estadística: el perfil de densidad de νν es demasiado extendido para un agujero negro y demasiado denso para un cúmulo estelar. La hipótesis de una galaxia enana extremadamente compacta sigue abierta, aunque solo podrá confirmarse si se detecta algún rastro de luz en observaciones ópticas o infrarrojas de alta sensibilidad.

Esa tarea no será sencilla. La zona donde se encuentra νν está parcialmente cubierta por la emisión luminosa de la galaxia de fondo, amplificada por la lente. «Los datos son tan grandes y complejos que tuvimos que desarrollar nuevos enfoques numéricos para modelarlos. No fue nada sencillo, porque nunca se había hecho antes —comenta Vegetti. Y continúa—: Esperamos que cada galaxia, incluida nuestra propia Vía Láctea, esté llena de cúmulos de materia oscura, pero encontrarlos y convencer a la comunidad de que realmente existen requiere una enorme cantidad de cálculo computacional».

«Necesitaremos instrumentos como el telescopio espacial James Webb o el futuro Telescopio Extremadamente Grande europeo para intentar ver si hay algo visible en esa posición», explica la investigadora.

La ampliación muestra el estrechamiento del arco luminoso de radio, donde la masa adicional del objeto oscuro queda  imaginada gravitacionalmente gracias a los sofisticados algoritmos de modelado del equipo.

La ampliación muestra el estrechamiento del arco luminoso de radio, donde la masa adicional del objeto oscuro queda imaginada gravitacionalmente gracias a los sofisticados algoritmos de modelado del equipo. El objeto oscuro νν está señalado por la mancha blanca en el punto de compresión del arco, aunque hasta ahora no se ha detectado ninguna emisión suya en longitudes de onda ópticas, infrarrojas ni de radio. Cortesía: Keck/EVN/GBT/VLBA

Un salto técnico sin precedentes en radioastronomía

El descubrimiento fue posible gracias a la extraordinaria capacidad de resolución del sistema de interferometría global. Los radiotelescopios, distribuidos por Europa, África y América, trabajaron de forma sincronizada durante catorce horas para observar la fuente en una frecuencia de 1,7 gigahercios y confeccionar un mapa con una resolución angular de cinco milisegundos de arco, lo que equivale a distinguir una moneda de un euro en la superficie de la Luna.

Los datos, de una calidad excepcional, fueron analizados con un software desarrollado específicamente para este tipo de problemas, llamado PRONTO, capaz de modelar simultáneamente la distribución de masa de la lente y el brillo de la fuente en el dominio de las visibilidades. Este tipo de análisis, basado en inferencia bayesiana y técnicas iterativas, permite separar las contribuciones de la lente principal, de posibles subhalos y de la fuente de fondo con un nivel de precisión imposible de alcanzar en el plano de la imagen.

El equipo comprobó además que el resultado era robusto frente a todos los posibles sesgos: distintos modelos de la lente, diferentes resoluciones de la malla y diversas formas de regularización matemática dieron valores coherentes para la masa y la posición del objeto. «Todo apunta a que la señal es real y que la masa está muy bien medida», snetencia Powell.

Un mapa de lo imperceptible: hacia el censo de subhalos de materia oscura

Más allá de la anécdota científica, el hallazgo marca un punto de inflexión en la exploración del universo oscuro. Hasta ahora, los astrónomos habían podido detectar objetos de entre cien millones y mil millones de masas solares mediante lentes gravitacionales observadas con el Hubble, el telescopio Keck o el interferómetro ALMA. Pero llegar al millón de soles requería una resolución al menos diez veces superior. La interferometría de muy larga base ha demostrado ser la única herramienta capaz de alcanzar ese nivel de detalle.

El estudio sugiere que con un conjunto suficiente de sistemas de lente observados con esta técnica será posible construir un censo estadístico de subhalos de materia oscura a lo largo del tiempo cósmico. Ese catálogo permitirá comprobar si la abundancia y la distribución de estos objetos coinciden con las predicciones del modelo cosmológico o si, por el contrario, apuntan a una física diferente, quizá asociada a materia oscura autointeractuante o a partículas térmicas más ligeras.

«Estamos empezando a cartografiar la materia oscura no solo en las grandes escalas del universo, sino también en las más pequeñas — explica Simon White, coautor y veterano cosmólogo del Instituto Max Planck. Y añade—: Cada nuevo objeto de este tipo que encontremos nos dirá algo sobre cómo se agrupan las partículas de materia oscura y sobre la historia de la formación de galaxias».

El futuro del cosmos invisible

El equipo planea continuar la búsqueda en otros sistemas de lente similares, aprovechando la creciente potencia de las redes de radiointerferometría. La próxima generación de telescopios, como el Square Kilometre Array (SKA) de Sudáfrica multiplicará por diez la sensibilidad y permitirá rastrear miles de lentes gravitacionales con un detalle sin precedentes.

Si se confirman más detecciones en el rango de masas del millón de soles, los científicos podrán distinguir entre los distintos modelos de materia oscura y, quizá, acercarse al santo grial de la cosmología moderna: saber de qué está hecha realmente.

Por ahora, νν permanece como una sombra silenciosa en un arco de luz distante. Pero su influencia gravitatoria, minúscula y precisa, ha bastado para que los astrónomos oigan su presencia en el rumor del cosmos. Una prueba de que, incluso en las profundidades más oscuras del universo, la gravedad sigue siendo la mejor narradora de historias invisibles. ▪️

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