Cómo la foto más antigua del universo explica la materia oscura
El fondo cósmico de microondas es una de las mejores pruebas indirectas de la existencia de la materia oscura. Pero ¿Cómo podemos concluir eso a partir de una imagen con un aspecto tan caótico y aleatorio?
Una de las preguntas sin resolver más grandes en astrofísica a día de hoy tiene que ver con la composición de la materia oscura. No sabemos si está formada por partículas desconocidas, que interactúan con las existentes a través de mecanismos increíblemente improbables. También podría estar formada por una gran cantidad de objetos que conocemos, pero cuya cantidad no hemos estimado correctamente, como agujeros negros o estrellas extremadamente tenues. Otra de las propuestas sugiere que la explicación requiere una modificación de nuestra descripción de la gravedad. Nadie las ha contado, pero probablemente existan cientos, sino miles de propuestas diferentes (la mayoría variaciones de las tres principales) para explicar la materia oscura. Sin embargo, lo que está en duda es qué es la materia oscura pero no su existencia. La materia oscura no es una teoría: la materia oscura es algo que hemos observado en el universo, de formas diferentes e independientes. La teoría será lo que explique sus elementos constituyentes.
De entre las diversas pruebas que muestran la existencia de eso que llamamos materia oscura, una de las más contundentes se encuentra codificada en la fotografía más antigua que podemos obtener del universo: el fondo cósmico de microondas. La luz presente en esta fotografía proviene del primer instante en la historia del universo en el que la temperatura de las partículas que lo componen bajó lo suficiente como para que los fotones no tuvieran suficiente energía como para ionizar los átomos de hidrógeno que se formaran espontáneamente a partir de protones y electrones. Esta imagen nos permite remontarnos a aproximadamente unos 370 000 años después del Big Bang. Utilizando fotones, luz, no podemos remontarnos más atrás pues no había fotones libres que hayan podido llegar hasta nuestros telescopios.
Hasta este momento, la radiación (es decir la luz, los fotones) y la materia (protones, electrones, núcleos de helio, etc) estaban acopladas. Puesto que estaban en constante interacción, combinándose y destruyéndose, su expansión y su enfriamiento ocurrían a la vez. La materia oscura sin embargo no estaba invitada a esta fiesta. Por su propia definición, la materia oscura es incapaz de interaccionar con la luz por lo que ésta, sea lo que sea, evolucionó independientemente. Puesto que, que sepamos, la única interacción que afecta a esta materia oscura es la gravitatoria, debió empezar a contraerse y a formar pequeñas acumulaciones de materia oscura. Cuando la materia ordinaria se liberara de la influencia de la radiación, estas acumulaciones de materia oscura atraerían a la materia ordinaria, siendo las semillas gravitatorias a partir de las cuales se acabarían formando las galaxias (o la mayoría de ellas) millones de años después. Las acumulaciones de materia oscura tenían un tamaño gigantesco, lo que hoy equivaldría a cientos de millones de años luz y una forma aproximadamente esférica. A su alrededor empezaría acumulándose materia ordinaria también en una disposición esférica, que con el tiempo iría adoptando otras formas (como discos o elipsoides) en función de las interacciones gravitatorias entre la propia materia ordinaria. Las acumulaciones de materia oscura también afectaron a la radiación, aunque en menor medida por el hecho de que se alejaban de ellas a la velocidad de la luz. Por tanto aquellas acumulaciones de materia oscura dejaron su huella en la materia ordinaria y la radiación que las rodeaba. El fondo cósmico de microondas, surge precisamente de observar esta huella para millones de acumulaciones diferentes.
Si por simplicidad asumimos que todas estas acumulaciones ocurrieron de forma perfectamente esférica, puede verse fácilmente que al combinar suficientes de estas capas esféricas, aparece un patrón que a ojos humanos parece aleatorio, como se muestra en la imagen superior. En ella se muestra el efecto de combinar una cantidad creciente de estas capas. Cuando combinamos varios miles, la información de cada capa individual parece perderse, dominando el patrón aleatorio. El hecho de que esta simulación sea tan similar al fondo cósmico de microondas nos indica que el universo evolucionó en sus inicios de la forma que hemos explicado más arriba.
Pero aunque este patrón parezca aleatorio al ojo humano, no lo es. Puede hacerse un análisis matemático de él para extraer más información. Si por ejemplo intentamos relacionar el tamaño de las capas creadas por aquellas acumulaciones de materia oscura con la cantidad de ellas, obtenemos una gráfica como la que se muestra más abajo. En ella aparecen varios picos, que nos dan información valiosísima sobre nuestro universo. El primero de ellos, el más grande, nos habla de la curvatura del universo y nos dice concretamente que el universo es plano. El segundo y tercer pico nos hablan sobre la densidad de la materia ordinaria y de la materia oscura en nuestro universo. Es de aquí de donde extraemos que en el universo existe unas 5 veces mayor cantidad de materia oscura que de materia ordinaria.
Con todo, el fondo cósmico de microondas constituye una observación indirecta de la existencia de materia oscura, pues si no se hubieran producido aquellas acumulaciones de materia oscura en los inicios del universo, el fondo cósmico de microondas no tendría ese aspecto.
