Un estudio de simulación cosmológica realizado por investigadores del Observatorio Astronómico de Shanghái de la Academia China de Ciencias ha revelado sistemáticamente, por primera vez, cómo la interacción entre la materia oscura y la energía oscura influye significativamente en la rotación y la alineación de la forma de los halos de materia oscura en el universo.
Publicado en Physical Review D el 19 de noviembre, el estudio ofrece una nueva perspectiva para comprender la formación de estructuras cósmicas a gran escala y sienta una base importante para la interpretación de datos observacionales de futuros proyectos de estudio del cielo, como el Telescopio de la Estación Espacial China (CSST).
Retos para los modelos cosmológicos estándar
Si bien el modelo actual de la constante cosmológica y la materia oscura fría (ΛCDM) que describe el universo ha alcanzado un gran éxito, aún enfrenta algunos desafíos observacionales, como la Tensión de Hubble y la Tensión S8. El modelo de interacción materia oscura-energía oscura (IDE) es una de las teorías candidatas para resolver estos problemas. En este modelo, la materia oscura y la energía oscura no evolucionan de forma independiente, sino que experimentan una transferencia mutua de energía.
Los investigadores analizaron dos escenarios típicos de IDE: en el modelo IDE I, la materia oscura se desintegra y se transforma en energía oscura; mientras que en el modelo IDE II, el proceso se invierte, donde la energía oscura se convierte en materia oscura. Estos dos procesos alteran la masa efectiva de las partículas de materia oscura, lo que afecta profundamente la historia de formación y las propiedades dinámicas de los halos de materia oscura.
Métodos de simulación y hallazgos clave
El equipo utilizó ME-GADGET, un programa de simulación numérica de N cuerpos, para realizar simulaciones de alta precisión de la formación de estructuras cósmicas tanto bajo los modelos IDE como con el modelo estándar ΛCDM.
Mediante simulaciones numéricas, descubrieron que en el modelo IDE I, donde la materia oscura se desintegra, la coherencia de la alineación entre las formas de los halos de materia oscura y la dirección del campo de marea de las estructuras filamentosas cósmicas circundantes es significativamente mayor que en el modelo ΛCDM. En el modelo IDE II, donde la materia oscura prolifera, observaron la tendencia opuesta: la alineación de la forma se debilitó.
«En realidad, es fácil comprender este cambio», afirmó Zhang Jiajun, autor correspondiente del estudio. «Cuando la materia oscura se convierte en energía oscura, el halo se vuelve más flexible y, por lo tanto, más susceptible a las influencias ambientales, mientras que la conversión de energía oscura en materia oscura tiene el efecto contrario.
«Es como comparar a dos personas: si una hace ejercicio regularmente, con los músculos tensos, se mueve con mayor libertad y tiene la fuerza suficiente para resistir la gravedad. La otra no se ejercita adecuadamente, ya que su peso proviene principalmente de la grasa, por lo que, obviamente, se desploma con mayor facilidad en el sofá bajo la influencia de la gravedad. Esta investigación no solo revela los patrones de distribución de la materia oscura en el universo, sino que también nos recuerda que debemos prestar atención al ejercicio y convertir más grasa en músculo para mantener la salud».
Implicaciones para futuras observaciones
En términos de relevancia observacional, el estudio proporciona la primera descripción detallada de la señal de alineación intrínseca (AI) de los halos en la cosmología IDE. La AI es una fuente clave de error sistemático en las observaciones de lentes gravitacionales débiles, derivada de la alineación no aleatoria entre las formas de las galaxias y entre las galaxias y las estructuras cósmicas a gran escala.
En el futuro, para proyectos de estudio de lentes gravitacionales débiles a gran escala como CSST, la calibración precisa del efecto AI es un prerrequisito para restringir con éxito los parámetros cosmológicos, especialmente para detectar las propiedades de la materia oscura y la energía oscura.
«Nuestro trabajo proporciona la base física y las fórmulas de ajuste necesarias para construir modelos de calibración de AI más precisos que incluyan los efectos IDE. Esto contribuirá directamente a la extracción de señales cosmológicas más nítidas a partir de los futuros datos de CSST», afirmó Zhang.
Con información de arXiv
