Descubren que la materia oscura imperaba en las galaxias del universo joven
Astrónomos afirman que la materia oscura domina los halos de dos agujeros negros supermasivos en galaxias distantes a 13.000 millones de años luz. El hallazgo arroja nuevas claves sobre su papel en la evolución de las galaxias primordiales.
Por Enrique Coperías
Ilustración artística de una galaxia distante con un agujero negro supermasivo en su centro, rodeado por un halo de materia oscura y destacada por coloridas líneas de emisión [C II], que ilustran la interacción entre la materia oscura y los agujeros negros en el universo primitivo. Imagen generada con DALL-E
El reciente descubrimiento de un equipo internacional de investigadores sobre la relación entre la materia oscura y los agujeros negros supermasivos en galaxias situadas a más de 13.000 millones de años luz de distancia no solo amplía nuestra comprensión de la materia oscura, sino que también proporciona una visión crucial sobre cómo las galaxias se formaron y evolucionaron en las primeras etapas del universo.
La investigación fue posible gracias a una combinación de observaciones detalladas en las que se utilizaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), situado en el desierto de Atacama, en Chile. Este interferómetro revolucionario, que comprende un conjunto de 66 antenas, permitió estudiar la dinámica del gas en dos galaxias que albergan cuásares con un corrimiento al rojo de 6.
La relación entre la materia oscura y los agujeros negros supermasivos fue investigada mediante las curvas de rotación de estas galaxias, y reveló que la materia oscura constituye aproximadamente el 60% de la masa total de estas estructuras galácticas.
La masa invisible de las galaxias
Este hallazgo es significativo, porque se refiere al contexto de las observaciones previas de la materia oscura y los agujeros negros. En la década de 1970, la astrónoma estadounidense Vera Rubin fue pionera al descubrir que las galaxias no podían estar formadas únicamente por las estrellas visibles y el gas, sino que debía existir una masa invisible, a la que denominó materia oscura.
Sus observaciones mostraron que las partes externas de las galaxias giraban mucho más rápido de lo que las leyes de Newton predecían, lo que solo podía explicarse si la galaxia estuviera rodeada por una gran cantidad de materia oscura, esto es, formando un halo invisible que permitía que las estrellas y el gas en la periferia de las galaxias se movieran a una velocidad más alta.
Lo que los investigadores han logrado ahora es observar estas galaxias cuando el universo aún era muy joven, lo que permite a los científicos obtener una imagen de cómo las galaxias primordiales estaban formadas. Según los datos obtenidos, la materia oscura no solo era más abundante en comparación con lo que se observó en galaxias locales, sino que también estaba mejor distribuida en estas estructuras primordiales.
Estos resultados tienen implicaciones importantes para los modelos cosmológicos actuales, como el modelo ΛCDM, que describe cómo se formaron las estructuras a gran escala del universo a partir de pequeñas fluctuaciones en la densidad.
La interacción entre la materia oscura y los agujeros negros supermasivos
El estudio de los halos de materia oscura de estas galaxias no solo ahonda en nuestro conocimiento sobre la composición de las galaxias primordiales, sino que también ofrece una ventana única hacia la interacción entre la materia oscura y los agujeros negros supermasivos.
El análisis de los datos de ALMA permitió obtener curvas de rotación de los cuásares observados. En el caso de los dos objetos estudiados, el P009−10 y el J2318−3029, los investigadores identificaron una curva de rotación plana, lo que sugiere la presencia de una gran cantidad de materia oscura en estas regiones galácticas distantes, de forma similar a lo que se observa en galaxias cercanas de gran masa.
El descubrimiento se apoya en el uso de modelos avanzados, como son DysmalPy y 3DBarolo, que permiten estudiar los movimientos de los gases en estas galaxias, lo que ayuda a que los investigadores puedan determinar con precisión la fracción de materia oscura dentro de estas estructuras.
A través de estos modelos, los científicos pudieron medir la cantidad de materia oscura que compone el halo de estas galaxias, y encontraron que la fracción de materia oscura en el interior de las galaxias a distancias menores que su radio efectivo es significativamente alta, lo que les permite calcular la masa del halo de materia oscura en torno a estos agujeros negros supermasivos.
Izquierda: se muestra la distribución del gas de carbono ionizado (C+) en el halo de P009-10, representada por la imagen en color y los contornos negros. El gas nuclear, centrado en el cuásar (gran cruz negra), se indica con contornos magenta. Derecha: el campo de velocidad de la emisión de C+ varía entre -200 km/s (en azul, moviéndose hacia nosotros) y +200 km/s (en rojo, alejándose de nosotros), revelando una rotación coherente dentro de un halo masivo de materia oscura. Crédito: Fei et al.
Lo que resulta fascinante es que la masa de los agujeros negros en estas galaxias parece estar alineada con la masa del halo de materia oscura, sugiriendo que la formación de estos agujeros negros estuvo estrechamente vinculada a la evolución de la materia oscura en el cosmos primitivo.
Este hallazgo refuerza la idea de que los agujeros negros supermasivos y la materia oscura podrían haber coevolucionado en las primeras etapas del universo, un fenómeno que ahora se entiende mejor gracias a las observaciones y análisis recientes. Además, estas observaciones proporcionan datos valiosos para comprender cómo las galaxias de gran masa se formaron y se estructuraron durante las primeras fases de la expansión del universo.
Un avance clave en este avance ha sido el análisis detallado de los gases en estas galaxias, como el [C II] 158 µm, una línea de emisión proveniente de un átomo de carbono ionizado (C+) que se encuentra en el espectro electromagnético en la región de las microondas, específicamente en una longitud de onda de 158 micrómetros (µm). Esta línea es una de las más importantes para estudiar el gas frío en el espacio, especialmente en las regiones de formación estelar de las galaxias.
Gases en movimiento
Este tipo de emisión permite a los astrónomos estudiar la cinemática del gas, esencial para entender cómo se distribuyen tanto la materia visible como la materia oscura en las galaxias. La combinación de técnicas como la espectroscopía de alta resolución y los modelos de rotación de galaxias permite a los científicos rastrear el movimiento del gas y calcular la cantidad de materia oscura necesaria para explicar las observaciones.
Por otro lado, el estudio también arroja luz sobre un aspecto más amplio de la evolución galáctica: la relación entre la materia oscura y los agujeros negros supermasivos. La observación de que la materia oscura constituye una proporción tan significativa de la masa de estas galaxias en el universo temprano desafía algunos de los modelos anteriores sobre cómo se distribuye la materia en las primeras galaxias.
Los estudios previos de galaxias cercanas mostraban una disminución de la rotación en las afueras de las galaxias, lo que indicaba una baja proporción de materia oscura en esas regiones. Sin embargo, en las galaxias estudiadas a gran distancia, el comportamiento observado fue muy diferente, con una curva de rotación plana que sugiere una cantidad mucho mayor de materia oscura en su periferia.
Los primeros halos de materia oscura
Este fenómeno se explica parcialmente mediante la teoría de la evolución de las galaxias y los agujeros negros en la que la interacción entre la materia oscura y los agujeros negros puede ser más intensa de lo que se pensaba, ayudando así a la formación de estructuras de gran escala en el universo.
Las implicaciones de este descubrimiento son profundas, ya que ayudan a construir una imagen más coherente de cómo las galaxias masivas se desarrollaron a partir de los primeros halos de materia oscura, impulsados en parte por la influencia gravitacional de los agujeros negros.
Sin duda alguna, este avance no solo proporciona más evidencia de la existencia de la materia oscura en el universo primitivo, sino que también establece una conexión más fuerte entre los agujeros negros supermasivos y la materia oscura. Los modelos y observaciones realizadas ofrecen nuevas perspectivas sobre la coevolución de las galaxias y sus agujeros negros, lo que abre nuevas avenidas para explorar cómo se formaron las estructuras cósmicas que hoy observamos. ▪️
Información facilitada Universidad de Tokio
Fuente: Qinyue Fei et al. Assessing the dark matter content of two quasar host galaxies at z∼6 through gas kinematics. The Astrophysical Journal (2025). https://arxiv.org/pdf/2501.09077
