Las galaxias enanas ultradébiles, las más pequeñas y tenues que se conocen, podrían guardar la clave para comprender uno de los mayores misterios del Universo: la verdadera naturaleza de la materia oscura. Un nuevo estudio del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) revela que una sola colisión entre partículas de materia oscura cada 10.000 millones de años —aproximadamente la edad del Universo— basta para explicar los núcleos de materia oscura observados en estos diminutos sistemas.
Estas galaxias, que apenas contienen unos pocos miles de estrellas, están dominadas por materia oscura y han tenido historias evolutivas muy simples, lo que las convierte en laboratorios cósmicos ideales para poner a prueba teorías sobre la física de la materia oscura. El estudio demuestra que interacciones extremadamente infrecuentes entre partículas de materia oscura pueden generar de forma natural las estructuras centrales —o “núcleos”— que se observan, formaciones que los modelos tradicionales de materia oscura sin colisiones no logran reproducir con facilidad.
“Sabemos que el modelo actual de materia oscura es solo una aproximación”, explica Jorge Sánchez Almeida, investigador del IAC y autor del estudio. “Todas las partículas, incluidas las de materia oscura, deben interactuar eventualmente mediante fuerzas que van más allá de la gravedad. Nuestro estudio muestra que incluso interacciones extremadamente raras pueden dejar huellas observables en las galaxias más pequeñas”, añade.
Analizando el tamaño de los núcleos estelares y de materia oscura en estas galaxias, el estudio logró estimar la probabilidad de que las partículas de materia oscura colisionen entre sí. “El estudio muestra que tanto los halos de materia oscura de baja interacción (que están formando el núcleo) como los de alta interacción (en donde el núcleo está colapsando) pueden reproducir las estructuras observadas, con valores de la sección eficaz comprendidos entre 0,3 y 200 cm² por gramo”, apunta el investigador. “Estos valores son coherentes con los encontrados en otras galaxias, pero ahora se extienden a objetos en los que la medida no está sesgada”, subraya.
Galaxias enanas: el laboratorio de la materia oscura
El equipo también desarrolló un modelo sencillo que relaciona la masa estelar de una galaxia con el radio de su núcleo, dos propiedades que pueden medirse observacionalmente. El modelo reproduce con éxito los tamaños de los núcleos observados y predice que el radio del núcleo aumenta con la masa estelar, una tendencia que también se observa en galaxias enanas más grandes. Esta relación ofrece una herramienta poderosa para conectar las estructuras visibles de las galaxias con las propiedades invisibles de la materia oscura.
Si el escenario de alta interacción es correcto, la materia oscura en las enanas ultradébiles alcanzaría un equilibrio térmico en regiones que abarcan más de 3.000 años luz, es decir, mucho más allá de la extensión visible de sus estrellas. “Escalas de termalización tan grandes podrían influir en cómo se forman y evolucionan las subestructuras de materia oscura dentro de galaxias más masivas, afectando fenómenos como las lentes gravitatorias o la distribución de galaxias satélites”, explica Sánchez Almeida. "Incluso colisiones extremadamente raras entre partículas de materia oscura dejan una huella duradera en las galaxias más pequeñas; nuestros resultados muestran que las galaxias diminutas ofrecen un camino directo para entender la física de la materia oscura”, destaca.
Estos resultados sitúan a las galaxias enanas ultradébiles como laboratorios naturales únicos para estudiar las interacciones de la materia oscura a velocidades muy bajas, un régimen inaccesible tanto para los aceleradores de partículas en la Tierra como para las observaciones de cúmulos de galaxias masivos. “Futuras simulaciones cosmológicas que consideren una alta probabilidad de interacción entre partículas de materia oscura serán esenciales para explorar cómo estas colisiones ultrararas dan forma a las galaxias a lo largo del tiempo cósmico”, señala el investigador. “Dichos estudios podrían ayudarnos a refinar nuestra comprensión de la materia oscura y, en última instancia, de las fuerzas fundamentales que rigen el Universo”, concluye.
Articulo: Sánchez Almeida, Jorge. “Constraints on dark matter models from the stellar cores observed in ultra-faint dwarf galaxies: Self-interacting dark matter”, Astronomy and Astrophysics, 2025. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557040
Contacto:
Jorge Sánchez Almeida, jorge.sanchez.almeida [at] iac.es (jorge[dot]sanchez[dot]almeida[at]iac[dot]es)
