Tres galaxias sin materia oscura refuerzan la idea de que sí existe

Tres galaxias tenues y dispersas están protagonizando una de las paradojas más sugerentes de la cosmología reciente: su aparente falta de materia oscura podría convertirse precisamente en una de las pistas más interesantes de que esa materia existe como un componente físico independiente y no es únicamente el resultado de haber entendido mal la gravedad.

Se llaman NGC 1052-DF2, NGC 1052-DF4 y NGC 1052-DF9, o simplemente DF2, DF4 y DF9. Las tres forman parte de una estrecha estructura de galaxias débiles y presentan una característica extraordinaria: sus movimientos internos pueden explicarse prácticamente con la masa de las estrellas visibles, sin necesidad del enorme halo invisible que normalmente debería dominar una galaxia enana.

La explicación que gana peso es casi cinematográfica. Hace miles de millones de años, dos galaxias pudieron chocar a enorme velocidad. El gas ordinario se frenó violentamente mientras los halos de materia oscura continuaron avanzando con mucha mayor facilidad. Del material gaseoso atrapado en mitad del accidente habrían nacido nuevas galaxias, pero con muy poca materia oscura. Si ese escenario se confirma, la separación entre ambos componentes sería difícil de ignorar.

Tres galaxias que pesan casi solo lo que podemos ver

La materia oscura recibe ese nombre por una razón bastante literal: no emite luz, no la refleja de una forma que podamos observar directamente y tampoco se detecta como la materia ordinaria. Su presencia se deduce principalmente por los efectos gravitatorios que produce. En innumerables galaxias, las estrellas se mueven demasiado deprisa para que únicamente la masa visible pueda mantenerlas unidas.

En el modelo cosmológico actual, la materia oscura constituye alrededor del 85% de toda la materia del universo. En las galaxias enanas su dominio debería ser especialmente evidente: poca masa estelar rodeada por un halo oscuro comparativamente enorme. DF2, DF4 y DF9 parecen haber roto ese molde. Son, por decirlo de manera gráfica, edificios a los que les falta buena parte del andamio invisible que esperábamos encontrar.

DF2 provocó la primera sacudida cuando las mediciones indicaron que contenía muchísima menos materia oscura de la prevista. Después apareció DF4 con características similares. Dos casos tan próximos ya resultaban difíciles de despachar como simples anomalías. La incorporación de DF9 convierte aquella rareza inicial en algo más parecido a una familia.

DF9, la tercera pieza de una anomalía cósmica

Para calcular la masa de DF9, los astrónomos estudian la velocidad de sus estrellas. La lógica es sencilla, aunque medirla no lo sea: cuanto mayor es la masa escondida dentro de una galaxia, más intensa es su gravedad y mayores deben ser las velocidades de las estrellas que se mueven bajo su influencia.

Las observaciones espectroscópicas realizadas con el instrumento KCWI del observatorio Keck determinaron para DF9 una dispersión de velocidades muy baja, compatible con la que producirían sus estrellas por sí solas. Un halo de materia oscura convencional asociado a una galaxia semejante debería provocar movimientos internos considerablemente mayores.

DF9 contiene del orden de 140 millones de masas solares en estrellas. El dato importante no es únicamente esa cifra, sino que la dinámica observada no exige añadir el enorme depósito de masa invisible que cabría esperar. Técnicamente es más prudente hablar de una galaxia extremadamente deficiente en materia oscura que afirmar que posee exactamente cero. La diferencia parece pequeña al escribirla; científicamente no lo es.

La hipótesis de una colisión ocurrida hace 8.000 millones de años

Una de las explicaciones propuestas recibe el nombre de escenario bullet dwarf, una colisión de galaxias enanas a gran velocidad. La hipótesis plantea que DF2, DF4 y otros objetos de la misma estructura podrían proceder de un violentísimo encuentro ocurrido hace unos 8.000 millones de años.

El mecanismo explota una diferencia fundamental. La materia ordinaria está hecha de partículas que chocan, se calientan y pierden energía. Dos grandes masas de gas que se encuentran a velocidad extrema no se atraviesan tranquilamente: colisionan, se comprimen y pueden quedar frenadas.

La materia oscura, según el escenario cosmológico dominante, juega con otras reglas. Interactúa mediante la gravedad, pero apenas lo haría electromagnéticamente y sus partículas podrían atravesar una colisión con relativamente pocas interacciones. Los halos oscuros de las galaxias progenitoras habrían seguido avanzando mientras buena parte del gas quedaba atrás.

Cómo pueden nacer galaxias después del choque

Ese gas frenado no desaparecería. Al comprimirse podría enfriarse, condensarse y terminar formando nuevas estrellas. Con suficiente material, aparecerían pequeñas galaxias creadas fundamentalmente a partir de materia bariónica, el nombre técnico de la materia ordinaria formada esencialmente por protones y neutrones.

DF2, DF4 y DF9 encajan de manera llamativa en esa película. Las tres se encuentran relacionadas con una estructura lineal de galaxias débiles y sus propiedades permiten pensar en un origen común. La escasez de materia oscura de DF9 era, además, una consecuencia esperable si realmente pertenecía al mismo proceso que produjo DF2 y DF4.

Ese detalle tiene bastante peso. Es muy diferente construir una explicación después de obtener un dato que plantear una hipótesis y comprobar posteriormente que una galaxia adicional presenta precisamente la característica prevista. DF9 funciona así como una prueba adicional del escenario, aunque todavía quedan incógnitas sobre la historia exacta de todo el sistema.

Por qué no tener materia oscura puede apoyar que exista

A primera vista parece un contrasentido. Encontrar una galaxia casi sin materia oscura debería debilitar la teoría, no fortalecerla. El razonamiento cambia cuando lo importante deja de ser la cantidad y pasa a ser la capacidad de separar dos componentes durante una colisión.

Si la gravedad adicional atribuida a la materia oscura fuera solamente consecuencia de que nuestras leyes gravitatorias funcionan de otra manera a grandes escalas, resulta menos intuitivo explicar que un choque pueda producir galaxias con un comportamiento gravitatorio radicalmente distinto. Una ley física universal no debería desprenderse de una nube de gas y marcharse en otra dirección.

Un componente material, en cambio, sí puede hacerlo. Si gas y materia oscura responden de forma diferente a una colisión, pueden terminar espacialmente separados. Encontrar estrellas formadas a partir del gas que quedó atrás constituiría entonces una huella de aquella separación. La ausencia del halo se convierte, paradójicamente, en información sobre la naturaleza de aquello que falta.

La idea recuerda al célebre Cúmulo Bala, donde una colisión de cúmulos permitió observar una separación entre el gas caliente y gran parte de la masa inferida gravitatoriamente. El caso de estas galaxias enanas sería distinto en escala y mecanismo, pero comparte una intuición poderosa: materia ordinaria y masa invisible no siempre tienen por qué viajar juntas.

Lo que este hallazgo demuestra y lo que todavía no

Sería excesivo presentar las tres galaxias como la demostración definitiva de qué es la materia oscura. No lo son. Los investigadores siguen sin haber identificado la partícula —si finalmente resulta ser una partícula— responsable del fenómeno. Axiones, WIMPs y otros candidatos continúan formando parte de una búsqueda que lleva décadas abierta.

Lo que sí refuerza este sistema es una idea más elemental y, a su manera, enorme: la materia oscura puede comportarse como un componente físicamente independiente de las estrellas y del gas. Precisamente eso permite imaginar que un choque brutal deje unas regiones ricas en materia oscura y otras construidas casi exclusivamente con materia convencional.

También quedan márgenes de incertidumbre en las mediciones. La dinámica de objetos tan débiles es extraordinariamente difícil de determinar y las estimaciones dependen de velocidades estelares minúsculas a escala galáctica. Por eso hablar de galaxias con muy poca materia oscura es más preciso que tratarlas como cajas absolutamente vacías.

MOND y las teorías alternativas afrontan un problema incómodo

El descubrimiento tiene consecuencias para las teorías que intentan explicar las anomalías galácticas modificando la gravedad en lugar de recurrir a grandes cantidades de materia invisible. La más conocida es MOND, la dinámica newtoniana modificada, propuesta en los años 80 y desarrollada posteriormente en distintas variantes.

Estas teorías no quedan automáticamente invalidadas por DF2, DF4 y DF9. Existen efectos gravitatorios externos, incertidumbres sobre las distancias y diferentes formulaciones capaces de modificar las predicciones. La ciencia rara vez concede victorias por nocaut. Pero explicar varias galaxias relacionadas, con una dinámica anormalmente pobre en masa y un posible origen común, eleva el listón.

La dificultad conceptual es evidente: resulta relativamente natural imaginar dos sustancias que se separan durante un choque. Es más complicado reproducir ese mismo resultado si toda la anomalía procede exclusivamente de una modificación universal de la gravedad. No es una sentencia contra todas las alternativas, pero sí un banco de pruebas bastante incómodo.

Galaxias extrañas convertidas en laboratorio cósmico

Estos objetos ofrecen algo más que un argumento en el viejo debate sobre la existencia de materia oscura. También pueden utilizarse para investigar sus posibles propiedades. Si una colisión consiguió separar con tanta eficacia el gas de la materia invisible, esa separación impone límites sobre cómo puede interactuar la materia oscura con la materia convencional.

Una materia oscura que chocase intensamente con el gas habría tenido más dificultades para abandonar la zona del impacto. Si, por el contrario, prácticamente lo atraviesa, el resultado encaja mejor con una sustancia de interacción extremadamente débil. Las galaxias deficientes en materia oscura pasan así de ser una rareza astronómica a convertirse en pequeños experimentos naturales que ningún laboratorio terrestre podría reproducir.

Eso tampoco significa que el caso esté resuelto. Existen otros procesos capaces de alterar la cantidad de materia oscura de una galaxia y reconstruir una colisión ocurrida hace miles de millones de años exige combinar distancias, velocidades, poblaciones estelares y simulaciones. Cada nueva observación puede mover alguna pieza. En cosmología, la cautela no estropea la historia; suele hacerla bastante más interesante.

La ausencia que deja una huella visible

DF2, DF4 y DF9 han transformado una anomalía incómoda en una pista de considerable valor. Las tres pueden explicar buena parte de su dinámica mediante la masa visible y, al mismo tiempo, aparecen vinculadas a una estructura compatible con un pasado en el que gas y materia oscura tomaron caminos distintos.

Seguimos sin saber de qué está hecha esa sustancia invisible que domina la masa de las galaxias. Tampoco se ha producido aquí una detección directa. Pero una galaxia que pierde algo puede revelar propiedades de ese algo precisamente a través del hueco que deja. Tres galaxias con muchísima menos materia oscura de la esperada hacen que esa ausencia resulte difícil de considerar un simple detalle.

La paradoja, al final, es magnífica: llevamos décadas buscando materia oscura sin conseguir verla directamente y quizá algunas de las pistas más limpias estén apareciendo en lugares donde casi no queda ninguna. Lo invisible también deja cicatrices. Y en estas tres pequeñas galaxias, esas cicatrices empiezan a dibujar una historia bastante concreta.