Un nuevo estudio del Cúmulo Bala desafía la existencia de la materia oscura
Imagen destacada: [Imagen compuesta del Cúmulo Bala que muestra el gas de rayos X en rosa y la masa del lente gravitacional en azul; crédito: NASA/CXC/STScI/ESO]
Un nuevo estudio liderado por la Universidad de Bonn ha reabierto uno de los debates más polémicos de la cosmología moderna: si la materia oscura es real. Utilizando nuevas observaciones del Telescopio Espacial James Webb, el equipo sostiene que el famoso Cúmulo Bala, considerado durante mucho tiempo la evidencia observacional más sólida de la materia oscura, puede explicarse sin invocar esa esquiva sustancia.
El Cúmulo Bala, una colosal colisión de dos cúmulos de galaxias a unos 3.700 millones de años luz de distancia, ha sido una piedra angular de la hipótesis de la materia oscura desde su descubrimiento. Las observaciones mostraron que el gas caliente de rayos X de la colisión se rezagó respecto a las galaxias de los cúmulos, mientras que la señal de lente gravitacional, una medida de la masa total, seguía a las galaxias, no al gas. Esta separación se interpretó como prueba de que halos invisibles de materia oscura sin colisiones rodeaban las galaxias y atravesaban directamente la colisión, mientras que el gas era frenado por la fricción.
El nuevo estudio, publicado en Physical Review D el 1 de julio, desafía esa interpretación.
Lo que encontró el estudio
Liderado por Dong Zhang del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn, el equipo utilizó nueva fotometría del JWST para reestimar la masa bariónica total de las tres galaxias de cúmulo más brillantes en el núcleo del Cúmulo Bala. De manera crucial, aplicaron la teoría de la Función de Masa Inicial Integrada a Escala Galáctica (IGIMF), que predice que las galaxias de tipo temprano contienen una proporción más alta de estrellas masivas que desde entonces se han colapsado en remanentes estelares invisibles, estrellas de neutrones y agujeros negros.
Estos remanentes ejercen fuerzas gravitacionales idénticas a lo que a menudo se atribuye a la materia oscura, pero están hechos de materia bariónica ordinaria. Al tenerlos en cuenta, el equipo descubrió que el lente gravitacional observado puede explicarse solo con la Dinámica Newtoniana Modificada (MOND), sin necesidad de materia oscura.
“El Cúmulo Bala es en realidad particularmente consistente con el escenario MOND”, dijo Zhang.
Implicaciones para el modelo estándar
Incluso dentro del paradigma estándar de la materia oscura, el estudio sugiere que el contenido de materia oscura inferido en el Cúmulo Bala necesitaría reducirse aproximadamente a la mitad. El coautor Pavel Kroupa de la Universidad de Bonn y la Universidad Carolina de Praga señaló: “Incluso en el modelo estándar, que asume la existencia de materia oscura, su cantidad postulada tendría que reducirse significativamente, alrededor de la mitad”.
El resumen del artículo afirma: “Independientemente de la validez de MOND, ahora surge una perspectiva emergente con respecto a los modelos de materia oscura: para explicar las observaciones, parecen requerir menos materia oscura de lo anticipado anteriormente”.
El debate continúa
El Cúmulo Bala ha sido considerado durante mucho tiempo el mayor desafío de MOND. Propuesta por Mordehai Milgrom hace aproximadamente 40 años, MOND reemplaza la materia oscura modificando la gravedad a bajas aceleraciones. Los críticos han argumentado que el desfase entre la masa del lente del Cúmulo Bala y su gas de rayos X no puede explicarse sin materia oscura sin colisiones.
El estudio de Bonn sostiene que bajo la formulación QUMOND de MOND, aparece masa fantasma donde las aceleraciones son bajas, concentrada cerca de las galaxias puntuales en lugar del gas difuso, produciendo naturalmente el desfase observado. Combinado con la masa adicional de los remanentes estelares invisibles, la señal de lente fuerte en el núcleo del cúmulo se explica completamente.
Los autores reconocen limitaciones importantes. La viabilidad física de su modelo depende de la distribución espacial y el comportamiento dinámico de la población de remanentes estelares, que aún no se ha establecido. El análisis también se centra solo en las regiones centrales donde opera el lente fuerte; la consistencia en radios más grandes donde domina el lente débil requiere trabajo adicional.
El debate más amplio sigue sin resolverse. MOND históricamente ha tenido dificultades para explicar fenómenos a escala cósmica, incluyendo el fondo cósmico de microondas y la estructura a gran escala del universo. No obstante, este estudio demuestra que el Cúmulo Bala, presentado durante mucho tiempo como prueba de la materia oscura, no es tan definitivo como se pensaba anteriormente.
El artículo, “Baryonic mass budgets in the central regions of the Bullet Cluster and their consistency with strong lensing in MOND”, se publica en Physical Review D (DOI: 10.1103/6zrp-q7c4) e incluye coautores de la Universidad de Portsmouth, la Universidad Yonsei, la Universidad Carolina de Praga y otras instituciones.
Traducido por Alessandra