La fuerza de la gravedad necesaria para que el Universo haya evolucionado desde que era prácticamente uniforme en el Big Bang hasta ahora, cuando la materia se concentra en forma de galaxias, estrellas y planetas, la proporciona la llamada materia oscura. Sin embargo, a pesar del papel esencial de esta materia ‘extra’, apenas sabemos nada sobre su naturaleza, comportamiento o composición, lo que supone uno de los problemas fundamentales de la Física actual. En un reciente artículo de Astronomy & Astrophysics Letters, científicos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)/Universidad de La Laguna (ULL) y de la Universidad Nacional del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires (Junín, Argentina) han descubierto que la materia oscura en galaxias sigue una distribución de 'máxima entropía', lo que arroja luz sobre su naturaleza.

La materia oscura representa aproximadamente el 85% de la masa del Universo, pero su existencia solo se manifiesta a escalas astronómicas, es decir, debido a su débil interacción, el efecto neto que produce solo es apreciable cuando se suma la contribución de cantidades enormes. Dado que le cuesta enfriarse, las estructuras que forma son generalmente mucho mayores que planetas y estrellas. Como la existencia de la materia oscura solo se manifiesta a tales escalas, el descubrimiento de cuál es su naturaleza ha de venir de la mano de estudios astrofísicos.

MÁXIMA ENTROPÍA

El que la distribución de la materia oscura se organice siguiendo la máxima entropía (término equivalente a 'máximo desorden' o a 'equilibrio termodinámico') significa que esta se encuentra en el estado más probable. Para llegar a ese 'máximo desorden', la materia oscura tendría que chocar entre sí como lo hacen las moléculas de un gas hasta alcanzar un equilibrio en el que su densidad, presión y temperatura, están relacionados. Sin embargo, se desconoce cómo la materia oscura ha llegado hasta esta clase de equilibrio.

“A diferencia de las moléculas del aire, por ejemplo, y debido a que la interacción gravitatoria es débil, las partículas de materia oscura apenas deberían chocar, de forma que el mecanismo por el que alcanzan el equilibrio termodinámico es un misterio”, explica Jorge Sánchez Almeida, investigador del IAC y autor principal del estudio. “No obstante, si chocaran entre sí, tendrían una naturaleza muy particular, lo que resolvería parte del misterio sobre su origen”, añade.

La máxima entropía de la materia oscura ha sido detectada en las galaxias enanas, ya que estas tienen mayor proporción de materia oscura respecto a su masa total que las galaxias más masivas y, por lo tanto, es más fácil ver el efecto en ellas. Sin embargo, los investigadores esperan que se trate de un comportamiento general a todo tipo de galaxias.

El estudio implica que la distribución de materia en equilibrio termodinámico presenta una densidad central mucho menor de la que los astrónomos habían supuesto para muchas aplicaciones prácticas, por ejemplo, a la hora de interpretar correctamente las lentes gravitatorias, o en el momento de diseñar experimentos para detectar materia oscura por auto-aniquilación.

Esta densidad central es fundamental a la hora de interpretar correctamente la curvatura de la luz de las lentes gravitatorias: al ser menos densa, el efecto de la lente es menor. Como al usar una lente gravitatoria para medir la masa de una galaxia hay que hacer un modelo, si se cambia el modelo de lente, se cambia la medida.

La densidad central también juega un papel crítico en los experimentos para detectar materia oscura por auto-aniquilación. Dos partículas de materia oscura podrían interaccionar entre ellas hasta desaparecer en un proceso altamente improbable pero característico de su naturaleza. Para que dos partículas se auto-aniquilen, estas tienen que chocar entre sí. La probabilidad de que choquen depende de la densidad de materia oscura; cuanto más densa sea la concentración de materia oscura, más probable es que se pueda producir una colisión entre partículas.

“Por ello, si la densidad cambia lo hará también la tasa a la que se espera que se produzcan las auto-aniquilaciones, y dado que los experimentos se plantean suponiendo una tasa, si la tasa esperable fuera muy baja, difícilmente se realizaría el experimento”, indica Sánchez Almeida.

Finalmente, el equilibrio termodinámico de la materia oscura podría también explicar el perfil de brillo de las galaxias. Este brillo disminuye con la distancia al centro de una forma muy particular, cuyo origen físico se desconoce, pero en el que los investigadores están trabajando para probar que es el resultado del equilibrio de máxima entropía.

SIMULACIONES FRENTE A OBSERVACIÓN

La densidad de materia oscura en el centro de las galaxias ha sido durante décadas un misterio. Hay una fuerte discrepancia entre lo que predicen las simulaciones (una alta densidad) y lo que se observa (poca). Los astrónomos han propuesto todo tipo de mecanismos para resolver esta enorme tensión.

En este artículo, los investigadores han descubierto, utilizando principios de la Física básica, que las observaciones pueden reproducirse si se asume que la materia oscura está en equilibrio, es decir, en máxima entropía. Las consecuencias de este resultado pueden ser muy importantes porque indicarían que la materia oscura ha intercambiado energía consigo misma y/o con el resto de la materia ordinaria.

“El hecho de que lo haya hecho en tan poco tiempo, comparado con la edad del Universo, podría ser consecuencia de que existe una forma en que la materia oscura interacciona con el resto de la materia más allá de la gravedad”, señala Ignacio Trujillo, investigador del IAC y coautor del estudio. “Habrá que explorar exactamente qué mecanismo es, pero las consecuencias pueden ser fascinantes para entender qué es esta componente que domina la materia total del Universo”.

Artículo: Jorge Sánchez Almeida, Ignacio Trujillo y Ángel Ricardo Plastino. “The principle of maximum entropy explains the cores observed in the mass distribution of dwarf galaxies”. 2020, A&A Letters. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039190

- A&A: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2020/10/aa39190-20.pdf

- Arxiv: https://arxiv.org/abs/2009.08994

Contacto en el IAC:

- Jorge Sánchez Almeida: jos [at] iac.es (jos[at]iac[dot]es)

- Ignacio Trujillo: itc [at] iac.es (itc[at]iac[dot]es)