A finales de los años 90, un grupo de investigadores se dio cuenta de que algo no cuadraba en los cálculos sobre la materia del universo. Se sabía, gracias al fondo cósmico de microondas y a la nucleosíntesis del Big Bang, cuánta materia bariónica —la materia “normal”, compuesta por protones y neutrones— debería existir. Pero al observar las galaxias, estrellas, planetas y nubes de gas, solo se encontraba la mitad de esa materia esperada. ¿Dónde estaba el resto? Era un misterio tan desconcertante como urgente.
Veinticinco años después, ese enigma parece resuelto. Un nuevo estudio, publicado en Nature Astronomy, ha logrado localizar la práctica totalidad de esa materia bariónica “perdida”. Lo ha hecho con ayuda de uno de los fenómenos más breves y enigmáticos del cosmos: las ráfagas rápidas de radio (FRBs, por sus siglas en inglés), señales de origen extragaláctico que duran apenas unas milésimas de segundo pero que atraviesan grandes distancias del espacio.
Qué son los bariones y por qué importan tanto
Los bariones son las partículas que forman la materia visible del universo: protones, neutrones y todo lo que estos componen. Aunque representan solo el 5% del contenido total del cosmos, son esenciales porque constituyen todo lo que podemos ver, tocar y medir directamente.
Desde hace décadas, la “crisis de los bariones perdidos” era una de las principales incógnitas de la cosmología. Se sospechaba que esos bariones no se encontraban en galaxias ni estrellas, sino en un estado difuso y caliente, fuera de los grandes halos gravitacionales. Pero no se había conseguido una medición directa y precisa de esa materia dispersa, hasta ahora.
El nuevo estudio, liderado por Liam Connor y su equipo en el California Institute of Technology, ha utilizado una muestra cosmológica de 60 nuevas ráfagas rápidas de radio, que fueron detectadas y localizadas gracias al radiotelescopio DSA-110. A estos datos se sumaron otros 30 FRBs ya localizados con precisión.
Cómo se mide lo que no se ve
El procedimiento se basa en una propiedad fascinante de las FRBs: al atravesar el espacio, su señal sufre una dispersión electromagnética, es decir, las diferentes frecuencias de radio se retrasan de forma distinta debido al material ionizado que encuentran en el camino. Ese retraso puede medirse y se conoce como “medida de dispersión”(DM, por sus siglas en inglés).
Cada ráfaga tiene una DM total compuesta por varias partes: una provocada por nuestra propia galaxia (la Vía Láctea), otra por la galaxia donde se origina la señal, y una última debida al gas ionizado que hay en el espacio entre ambas. Esta última parte es la clave para estimar cuánta materia bariónica hay en el medio intergaláctico, es decir, fuera de las galaxias y cúmulos.
Nuestros resultados sugieren que más del noventa por ciento de los bariones están en un estado ionizado difuso en el IGM y en halos de materia oscura o en gas frío (es decir, no en estrellas).
Los autores del estudio señalan que “la fracción de bariones en el medio intergaláctico” que han medido es del 80%, mientras que un 11% está en los halos de galaxias y el resto en estrellas y gas frío. Esta partición permite, por primera vez, no solo cuantificar la materia, sino saber exactamente dónde está localizada.
Resultados sólidos con múltiples métodos
La fiabilidad del análisis no depende de un solo enfoque. El equipo aplicó un modelo estadístico robusto basado en cadenas de Markov (MCMC), pero también usó un método independiente para estimar la fracción de materia difusa (fd), simplemente dividiendo la dispersión observada entre una función cosmológica. Ambos métodos coincidieron en que más del 90% de la materia bariónica está en forma de gas difuso ionizado.
El estudio concreta: “nuestros resultados sugieren que más del noventa por ciento de los bariones están en un estado ionizado difuso en el IGM y en los halos de materia oscura o en gas frío (es decir, no en estrellas)” . Además, establecen un límite superior a la fracción de materia estelar: no más del 9% de los bariones totales del universo están en forma de estrellas.
Estos resultados coinciden con simulaciones cosmológicas como IllustrisTNG y SIMBA, que también muestran un universo donde la mayoría de la materia bariónica se encuentra fuera de las galaxias, diseminada en la vasta red cósmica.
Un mapa detallado del universo invisible
Uno de los aspectos más destacables del trabajo es que logra separar con precisión los distintos reservorios de materia bariónica: el medio intergaláctico (IGM), el medio intracúmulo (ICM), los halos galácticos (CGM) y las propias galaxias. Esta separación era algo que hasta ahora no se había conseguido de forma directa con datos observacionales.
Gracias a ello, el equipo establece que solo alrededor del 1% de los bariones están en forma de gas frío dentro de las galaxias, y entre un 4 y 7% en forma de materia estelar. Esta precisión permite descartar modelos de formación estelar con un exceso de estrellas de baja masa, como aquellos basados en la función de masa inicial de Salpeter.
Además, el hallazgo tiene implicaciones relevantes para la formación de galaxias y los modelos de retroalimentación astrofísica, es decir, los procesos que expulsan gas de las galaxias hacia el espacio intergaláctico. Los resultados apoyan la idea de que estos procesos son eficaces y han vaciado de materia muchos halos galácticos, lo que explica la escasez de bariones en esas estructuras.
Qué papel juegan las FRBs y qué viene después
Las ráfagas rápidas de radio son una herramienta novedosa y poderosa. Aunque todavía se desconoce su origen exacto, su utilidad como “linternas cósmicas” para estudiar el universo ya es indiscutible. El hecho de que su señal atraviese toda la estructura del cosmos permite analizar regiones que, de otro modo, serían invisibles.
El estudio publicado en Nature Astronomy demuestra que las FRBs pueden ser tan eficaces como el fondo cósmico de microondas para obtener parámetros fundamentales del universo, como la densidad de materia bariónica (Ωb). De hecho, el valor medido por los autores, Ωb h70 = 0.049 ± 0.003, coincide con el estimado por observaciones del universo temprano .
En el futuro, los investigadores planean utilizar el proyecto Deep Synoptic Array-2000, que contará con 2.000 antenas para detectar hasta 10.000 nuevas FRBs al año. Esto permitirá crear un mapa aún más detallado de la materia ordinaria del universo y mejorar las estimaciones de parámetros cosmológicos clave.
Lo que tienes que saber sobre el 90 % de bariones que estaban “perdidos” en el universo
- La materia bariónica es la materia “normal”, la que forma átomos, estrellas, planetas, gas y polvo. Representa solo el 5% del contenido del universo, pero durante años no se sabía dónde estaba aproximadamente la mitad de ella.
- Más del 90% de esos bariones no están en galaxias ni en estrellas, sino repartidos como gas caliente e ionizado en el espacio entre galaxias (el medio intergaláctico o IGM) y en los halos de materia oscura que rodean grupos y cúmulos de galaxias.
- Los investigadores midieron este gas invisible usando ráfagas rápidas de radio (FRBs), unas señales muy breves que atraviesan el universo y sufren un retardo que depende del material que cruzan. Esa “dispersión” permite calcular la cantidad de gas intermedio.
- La fracción principal, un 80%, está en el IGM, el espacio entre las estructuras grandes del cosmos. Otro 10% está en halos galácticos calientes. Solo un 9% o menos está en forma de estrellas y gas frío dentro de las galaxias.
- Esto resuelve el llamado “problema de los bariones perdidos”, un enigma que llevaba abierto más de dos décadas y que impedía cuadrar los modelos teóricos con las observaciones del universo local.
- El resultado no es una suposición ni un promedio, sino una medición directa con precisión estadística, basada en 69 FRBs con distancia conocida y usando modelos comparados con simulaciones cosmológicas.
- Gracias a estos datos, se descartan varios modelos antiguos que asumían que los bariones se acumulaban mayoritariamente en las galaxias o que las estrellas representaban una fracción más alta.
- El hallazgo también es importante para entender cómo se forman y evolucionan las galaxias, ya que indica que gran parte del gas ha sido expulsado o nunca llegó a caer en ellas, posiblemente debido a procesos de retroalimentación como los vientos estelares o los agujeros negros activos.
- Estos resultados también permiten acotar la cantidad total de estrellas en el universo, lo que ayuda a entender la distribución de masas estelares y la historia de la formación de galaxias.
- Con más FRBs por detectar, estos métodos permitirán crear un mapa más preciso del universo invisible, confirmando y detallando aún más dónde está y cómo se distribuye la materia normal del cosmos.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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