Aunque las galaxias parecen islas brillantes flotando en el espacio, su historia podría estar escrita en algo que no podemos ver. Una investigación de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) encontró que, en especial en galaxias relativamente pequeñas y aún activas en la formación de estrellas, su evolución está muy relacionada con el momento en que se formó el halo de materia oscura que las rodea, una estructura invisible cuya gravedad actúa como el “andamio” donde nacen las galaxias.
Casi todo lo que vemos en el universo —estrellas, planetas,
gas o polvo— representa apenas una pequeña fracción de su contenido total. La
materia que forma todo lo visible corresponde a cerca del 5 %; lo demás
está compuesto principalmente por materia oscura, un tipo de materia que no
emite ni absorbe luz y que por eso no se puede observar directamente. Sin
embargo, los científicos saben que existe porque su gravedad deja huellas
claras en el movimiento de las galaxias y en la estructura del universo.
Con el paso de miles de millones de años, esa materia
invisible se agrupa en enormes estructuras llamadas “halos de materia oscura”,
cuya masa puede ser miles de millones de veces mayor que la del Sol. Estos
halos funcionan como grandes reservorios de gravedad que atraen gas del
espacio, especialmente hidrógeno y helio. Con el tiempo, ese gas se enfría, se
concentra y da origen a nuevas estrellas. Así, los halos se convierten en una
incubadora cósmica donde nacen y crecen las galaxias.
Por eso, para muchos cosmólogos la historia de una galaxia
comienza mucho antes de que aparezcan sus primeras estrellas: empieza cuando se
forma el halo de materia oscura que la rodea.
El reto es que los telescopios solo muestran la parte
visible de esa historia. A partir de la luz de una galaxia los astrónomos
pueden medir su tamaño, su color o qué tanto forma nuevas estrellas, pero no
pueden observar directamente cómo se ensambló el halo de materia oscura que la
contiene.
¡Al infinito y más allá!
Para investigar esa relación, la profesora Yeimy Dallana
Camargo, doctora en Física de la UNAL, utilizó IllustrisTNG300, una de las
simulaciones cosmológicas más avanzadas del mundo. Este modelo funciona como un
laboratorio virtual en el que supercomputadores recrean la evolución del
universo durante miles de millones de años y permiten seguir, paso a paso, cómo
crecen la materia, el gas y las galaxias.
En ese entorno virtual la investigadora analizó más de
200.000 galaxias y los halos de materia oscura que las contienen,
reconstruyendo cuándo se formaron y cómo crecieron a lo largo del tiempo.
“Las observaciones funcionan como una fotografía del
universo en un momento específico, mientras que las simulaciones permiten ver
la película completa de cómo evolucionan las galaxias”, explica la
investigadora.
Al comparar la historia de los halos con la de las galaxias,
la investigadora encontró un patrón interesante: en muchos casos —especialmente
en sistemas de menor tamaño—, cuando el halo de materia oscura se formó
temprano en la historia del universo, también comenzó pronto la formación de
estrellas en su interior. En cierto sentido, estas estructuras parecen
conservar la “memoria” del momento en que se ensambló la estructura
gravitacional que las sostiene.
Entre las propiedades que tuvo en cuenta estaban: el momento
en que las galaxias formaron la mitad de sus estrellas; su color —relacionado
con la edad de esas estrellas—; la tasa de formación estelar, que indica qué
tan activamente nacen nuevas estrellas; y la eficiencia con la que han
convertido el gas disponible en estrellas a lo largo del tiempo. Esta última
propiedad conecta directamente la masa de la galaxia con la del halo de materia
oscura que la rodea.
La doctora Camargo encontró que esta conexión es más fuerte
en galaxias centrales pequeñas, que viven en halos de materia oscura con masas
de hasta unos 10¹² la masa del Sol. En estos casos, los halos que se formaron
temprano suelen contener galaxias que también comenzaron a formar sus estrellas
antes. En cambio, en sistemas más masivos la relación se debilita y la
evolución se vuelve más compleja, influida por procesos como el crecimiento de
agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias.
Las apariencias engañan
“Por otro lado, los halos de materia oscura no crecen
aislados, sino dentro de una gran estructura llamada red cósmica, una especie
de telaraña que organiza la materia a gran escala. Está formada por cúmulos
densos de galaxias, filamentos que los conectan, paredes más extendidas y
enormes vacíos con muy poca materia. En este entorno la materia no llega a los
halos desde todas las direcciones por igual, lo que puede influir en cómo
crecen, y en consecuencia en la evolución de las galaxias que contienen”, indica
la física Camargo.
El estudio también reveló que el entorno del universo
influye en este proceso. Según la investigadora, la gravedad puede actuar con
distinta intensidad en cada región, lo que cambia la forma en que crecen los
halos, y con ello la evolución de las galaxias.
“La posición dentro de esa red no lo explica todo; también
importa cómo actúan las fuerzas gravitacionales en el entorno cercano de cada
halo. En algunos lugares la gravedad tira con mayor intensidad en ciertas
direcciones, lo que puede influir en la forma en que crecen los halos de
materia oscura, y en consecuencia en la evolución de las galaxias que viven
dentro de ellos”, explica la investigadora.
Comprender estas conexiones ayuda a los cosmólogos a
reconstruir cómo el universo pasó de ser una nube casi uniforme después del Big
Bang a convertirse en la compleja red de galaxias que hoy observamos.
