Los Ángeles (California).- Un equipo de investigadores liderado por la Universidad del Sur de California (USC) ha desarrollado una innovadora serie de simulaciones galácticas que podrían abrir una nueva era en el estudio del universo.
Utilizando supercomputadoras de alta capacidad, los científicos crearon «gemelos digitales” de nuestra galaxia, la Vía Láctea, con el objetivo de explorar uno de los enigmas más cruciales de la ciencia moderna: la materia oscura.
Este proyecto pionero, denominado COZMIC —acrónimo de «Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter»— marca un punto de inflexión en la investigación astrofísica.
La cosmóloga Vera Gluscevic, profesora asociada en el Colegio Dornsife de Letras, Artes y Ciencias de la USC, junto con Ethan Nadler (actualmente profesor asistente en la Universidad de California, San Diego) y Andrew Benson (científico del Carnegie Observatories), encabezaron el equipo que logró simular galaxias bajo leyes físicas alternativas que consideran nuevas interacciones de la materia oscura, algo que hasta ahora se consideraba inalcanzable.
Aunque los científicos saben desde hace décadas que la materia oscura representa alrededor del 85 % de toda la materia del universo, su naturaleza sigue siendo un misterio. No emite luz ni energía detectable y solo puede observarse a través de sus efectos gravitacionales en objetos visibles, como galaxias.
Es esta materia invisible la que, por ejemplo, mantiene unidas a las galaxias que giran a velocidades tan altas que, sin esta fuerza oculta, deberían desintegrarse.
El avance logrado con COZMIC radica en que permite explorar cómo se forman y evolucionan las galaxias cuando la materia oscura interactúa no solo consigo misma, sino también con la materia normal.
En vez de solo usar las leyes tradicionales de la física de partículas y la relatividad, los científicos añadieron nuevas fórmulas físicas en las simulaciones. Esto les permitió tener un enfoque más completo que muestra posibles propiedades cuánticas de las partículas oscuras.
«Queremos medir las masas y otras propiedades cuánticas de estas partículas, así como cómo interactúan con todo lo demás», explicó Gluscevic. COZMIC permite precisamente eso: comparar los resultados de universos simulados con observaciones astronómicas reales, ayudando a evaluar qué hipótesis sobre la materia oscura se ajustan mejor a lo que realmente vemos en el cosmos.
Las simulaciones COZMIC dieron lugar a tres estudios independientes publicados en The Astrophysical Journal el 16 de junio. Cada uno explora diferentes posibles comportamientos de la materia oscura.
En el primero, conocido como el modelo «bola de billar», se simula que las partículas oscuras colisionan con protones poco después del Big Bang. Este tipo de interacción genera galaxias más suaves y menos pobladas de satélites, es decir, diminutas galaxias que orbitan alrededor de otras mayores, como las que giran en torno a la Vía Láctea.
El segundo estudio plantea un modelo «de sector mixto», donde solo algunas partículas oscuras interactúan con la materia normal, mientras que otras atraviesan el universo sin dejar huella detectable. Esta hipótesis híbrida permite una flexibilidad interesante al momento de ajustar los modelos a la realidad observacional.
El tercer estudio explora la «auto-interacción», es decir, partículas oscuras que interactúan únicamente entre sí, tanto en los primeros momentos del universo como en épocas actuales. Este tipo de comportamiento modifica profundamente la forma en que se forman y evolucionan las galaxias a lo largo del tiempo cósmico.
Cada una de estas simulaciones fue diseñada para producir galaxias cuya estructura lleve el sello de esos distintos tipos de interacciones. «Muchas simulaciones anteriores exploraron masas de materia oscura o su auto-interacción, pero ninguna había simulado hasta ahora interacciones entre materia oscura y normal», explicó Gluscevic. «No son ideas exóticas ni imposibles, de hecho, probablemente existan».
El equipo de COZMIC, que también incluye a investigadores de instituciones como UC Riverside, UCLA y el Purple Mountain Observatory en China, ahora se prepara para comparar sus galaxias simuladas con imágenes reales obtenidas por telescopios. Esta comparación permitirá afinar los modelos y acercarse más que nunca a responder una pregunta fundamental: ¿qué es realmente la materia oscura?
«Finalmente podemos preguntarnos: ‘¿Cuál versión del universo se parece más al nuestro?’», dijo Gluscevic. La respuesta podría estar a la vuelta de la esquina, y con ella, un nuevo entendimiento del tejido invisible que sostiene al universo entero.
Si sus predicciones coinciden con lo que muestran las observaciones astronómicas, los resultados del proyecto COZMIC podrían no solo confirmar nuevas propiedades de la materia oscura, sino también cambiar para siempre la forma en que entendemos el cosmos.
Esta colaboración interdisciplinaria entre instituciones y disciplinas es un ejemplo claro del poder de la ciencia computacional aplicada a los grandes misterios del universo.
