Roman y la materia oscura: cómo las lentes débiles medirán la distribución de la materia

La materia oscura plantea una paradoja: no emite, absorbe ni refleja luz, pero su gravedad deja huellas observables en el universo. De acuerdo con las estimaciones que presenta la NASA, constituye alrededor del 27 % del universo, frente a cerca del 5 % de materia ordinaria. Esa influencia gravitatoria permite estudiar dónde se encuentra y cómo se organiza, aunque todavía no se conozca bien qué partículas la componen.

La misión Nancy Grace Roman, de la NASA, utilizará lentes gravitacionales para estudiar la distribución de materia a distintas escalas. La relación entre la velocidad hipotética de las partículas y el crecimiento de las galaxias ofrece una forma de plantear qué podrían revelar esas observaciones: no una identificación directa de las partículas, sino la posibilidad de comparar la historia de las estructuras cósmicas con predicciones distintas.

Una presencia invisible que curva la luz

La materia ordinaria —la que forma estrellas, galaxias y los objetos que podemos observar— interactúa con la luz. La materia oscura, en cambio, interactúa gravitatoriamente con la materia ordinaria, pero no parece interactuar con el espectro electromagnético. Por eso, los telescopios no la detectan como una fuente luminosa. Su presencia se infiere a partir de los efectos de su gravedad.

Una de esas huellas es la lente gravitacional. Las concentraciones de masa curvan el espacio-tiempo y modifican la trayectoria de la luz que pasa cerca. Cuando la luz de una galaxia lejana atraviesa la región de un cúmulo de galaxias, puede llegar deformada —y, en ciertos casos, intensificada— hasta los telescopios. Al medir esa distorsión, los astrónomos pueden estimar la ubicación y la cantidad de materia que la produce.

En los cúmulos, la materia visible por sí sola no basta para explicar toda la curvatura observada. La materia oscura aporta gravedad adicional. Así, las lentes no muestran directamente esa materia: permiten reconstruir su distribución a partir del efecto conjunto de la masa sobre la luz. Experimentos como la sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA también se han utilizado para medir las proporciones de materia ordinaria y oscura en el universo temprano.

La velocidad cambia el ritmo del agrupamiento

La pregunta sobre si las partículas son lentas o rápidas importa porque, según las predicciones descritas por la NASA, su movimiento influiría en cuánto tardan en reunirse en concentraciones de materia. Si la materia oscura está formada por partículas pesadas y lentas, estas se agruparían con facilidad. En ese escenario, se esperaría observar formación de galaxias en etapas tempranas de la historia cósmica.

Si, en cambio, las partículas fueran más ligeras y rápidas, tardarían más en asentarse en agrupamientos y en desarrollar estructuras de gran escala. La diferencia se expresaría, por tanto, en la secuencia temporal del crecimiento cósmico: cuándo se forman las concentraciones de materia y cómo evolucionan las galaxias y los cúmulos.

Estas relaciones son predicciones condicionadas a las propiedades hipotéticas de las partículas. No establecen por sí mismas cuál de los escenarios es correcto. La NASA también señala que, en simulaciones, las estructuras observadas se corresponden mejor con materia oscura fría o lenta que con materia cálida o caliente. Esa comparación ayuda a explicar por qué se estudia el movimiento de la materia oscura, pero no determina la identidad de sus partículas.

Qué medirá Roman

Roman aplicará la técnica de lente gravitacional débil, que busca distorsiones más sutiles en la forma aparente de galaxias lejanas. A diferencia de los efectos más llamativos producidos por grandes concentraciones de masa, esta técnica permite seguir cómo grupos menores de materia oscura alteran la imagen de objetos situados detrás de ellos.

Según la descripción de la misión de la NASA, Roman medirá la ubicación y la cantidad tanto de materia ordinaria como de materia oscura en cientos de millones de galaxias. El objetivo es estudiar cómo se distribuye la materia y cómo cambiaron las galaxias y los cúmulos a lo largo de la historia cósmica. Al mirar objetos más lejanos, los astrónomos pueden observar épocas anteriores y reconstruir etapas del crecimiento de esas estructuras.

Ese mapa cósmico permitiría comparar la distribución observada con las dos secuencias predichas: agrupamiento temprano si las partículas son pesadas y lentas, o desarrollo más tardío de estructuras grandes si son ligeras y rápidas. La observación de lentes débiles no equivale a capturar una partícula en un detector; su valor, en este caso, reside en ayudar a delimitar qué explicaciones encajan con la historia de las estructuras.

Una pista, no una identificación de partículas

La NASA describe una amplia variedad de candidatos para la materia oscura y señala que los científicos todavía no tienen una buena estimación de la masa de sus partículas. Esa incertidumbre dificulta decidir cómo buscarlas directamente. La misión Roman está planteada para aportar información sobre la distribución de la materia y ofrecer nuevas pistas que ayuden a afinar esas búsquedas.

Por eso, la conexión entre velocidad y formación galáctica debe leerse como una herramienta de contraste. Las lentes gravitacionales pueden mostrar cómo se reparte la masa y permitir seguir la evolución de las estructuras; las predicciones relacionan esa historia con el comportamiento que tendrían partículas de propiedades distintas. Juntas, esas líneas de investigación pueden acotar los modelos que describen la materia oscura. La masa y la identidad de sus partículas siguen siendo preguntas abiertas, mientras que el patrón de agrupamiento cósmico ofrece una vía para investigar qué escenarios son compatibles con las observaciones.