Materia oscura en interacción consigo misma: ¿y si fuese posible?

Un grupo de investigadores ha analizado un cúmulo de galaxias que, desde hace tiempo, resulta de lo más intrigante. Por sus características, es posible que estemos observando un ejemplo de que la materia oscura podría ser más compleja de lo que pensábamos…

La materia oscura en interacción consigo misma para explicar el cúmulo de El Gordo

A unos 7000 millones de años luz de la Tierra nos encontramos con un cúmulo de galaxias de lo más misterioso. Hay dos regiones que están en proceso de colisión, con una masa combinada de más de 2000 billones de veces la masa del Sol. Por esa cantidad descomunal de masa, este cúmulo ha recibido el apodo de El Gordo. Lo más difícil de entender, y de explicar, es que es increíblemente masivo para la época del universo en la que se está observando. ¿Cómo es posible que se formase un supercúmulo de galaxias en aquella época?

El Gordo es muy sorprendente porque algunos astrónomos lo consideran un posible contraejemplo del Modelo Estándar de cosmología. A fin de cuentas, es difícil explicar cómo la materia oscura fría, en un universo que pasó por un período de inflación en el que se expandió enormemente en muy poco tiempo, pudo dar lugar a la formación de un supercúmulo tan grande en tan poco tiempo. Ahora, un nuevo estudio plantea que la materia oscura en interacción consigo misma podría ofrecer una explicación.

La materia oscura supone la mayor parte de la masa del cosmos. La materia bariónica, que compone todo lo que podemos ver, es apenas la quinta parte del total de la masa del universo. Además, la materia oscura no interactúa con la luz de manera significativa, si es que llega a hacerlo. De ahí su nombre, ya que no podemos observarla directamente mediante la luz. Esto también implica que la materia oscura no interactúa de manera importante con la materia normal, porque la mayoría de las interacciones son parte del espectro electromagnético.

Un misterio que obliga a reformular lo que conocemos

Una de las grandes preguntas sobre la materia oscura es si puede interactuar consigo misma de manera intensa. La idea más aceptada es que no lo hace. Es algo que se apoya en que las observaciones muestran que la materia oscura es fría. Dicho de otra manera, sus partículas no tienen mucha energía cinética. Si las partículas de materia oscura pudiesen chocar entre sí, se mantendrían calientes. Exactamente de la misma manera que la materia ordinaria puede calentarse cuando sus partículas colisionan.

La materia oscura autointeractuante podría producir un supercúmulo de galaxias en una época tan temprana como la de El Gordo, pero también generaría grandes cantidades de materia oscura caliente. Así que, ¿cómo reconciliar ambos aspectos? ¿Cómo podemos tener un supercúmulo de galaxias y materia oscura fría? El estudio plantea una interacción de materia oscura con dos estados. La materia ordinaria interactúa principalmente mediante colisiones elásticas. Por ejemplo, las moléculas de aire de una habitación tienden a rebotar entre sí sin perder mucha energía.

Esto explica, de hecho, por qué la temperatura de una habitación se mantiene constante. Si las colisiones fuesen inelásticas y se perdiese energía con cada choque, la habitación se enfriaría rápidamente. La mayoría de los modelos de materia oscura en interacción consigo misma parten de la base de que las colisiones serían similares a las de la materia ordinaria. Pero, si esa interacción se desarrollase de manera diferente, sería posible acelerar la agrupación de galaxias sin calentar demasiado la materia oscura.

Un estudio con resultados dispares sobre la materia oscura en interacción consigo misma

Sin embargo, los resultados que se han conseguido con esta teoría han sido dispares. El estudio recurre a un modelo de materia oscura que tiene un estado fundamental y otro excitado. Con este modelo de dos estados, la mayoría de las interacciones serían elásticas, igual que sucede con la materia ordinaria. Sin embargo, cuando una colisión tiene la energía adecuada, podría hacer que una partícula de materia oscura pasase a un estado excitado, retirando energía cinética de la colisión. De esta manera, las partículas de materia oscura podrían agruparse y enfriarse al mismo tiempo.

A partir de simulaciones de N cuerpos de las regiones en colisión de El Gordo, los investigadores encontraron que un modelo de materia oscura autointeractuante con dos estados, combinando colisiones elásticas e inelásticas, es el que mejor encaja con las observaciones. Sus resultados encajan mejor con las observaciones que las de los modelos de materia oscura sin interacciones y los que solo contemplan interacciones elásticas. El inconveniente es que hay muchas dudas sobre algunos aspectos de El Gordo.

No se sabe, por ejemplo, cuál es la masa exacta que tiene, y tampoco cuál es la velocidad a la que están colisionando las dos regiones. Si la masa del supercúmulo estuviese en el extremo inferior del intervalo que se calcula, el modelo de dos estados no encajaría con los datos. Por ello, solo se trata de una posible solución, no es una explicación definitiva sobre cómo se pudo formar. Hasta que se puedan observar directamente las partículas de materia oscura, seguirá habiendo muchas posibilidades. Este estudio deja claro que hay muchos aspectos que tener en cuenta sobre la materia oscura y que podría ser mucho más complicada de lo que pensábamos.

Estudio

El estudio es R. Valdarnini; «Hydrodynamical Simulations of the Merging Cluster El Gordo in a Two-state Self-interacting Dark Matter Scenario». Publicado en la revista The Astrophysical Journal el 27 de agosto de 2026. Puede consultarse en este enlace.

Referencias: Universe Today