La visión estándar de la evolución cósmica podría verse cuestionada por el descubrimiento de una enorme galaxia que parece carecer de materia oscura. Esta materia, que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo, falta en NGC 1277, una galaxia del cúmulo de galaxias de Perseo. Esta galaxia, ubicada a 240 millones de años luz de la Tierra, es el primer cúmulo de estrellas, planetas, polvo y gas del tamaño de la Vía Láctea que se ha descubierto que carece de materia oscura.
La materia oscura es prácticamente invisible porque no interactúa con la luz como la materia normal que compone las estrellas, los planetas y a nosotros mismos. Sin embargo, su presencia puede inferirse a partir de sus interacciones gravitacionales. La existencia de esta sustancia tenue se sugirió por primera vez cuando los astrónomos observaron galaxias masivas que giraban tan rápido que se separarían si no fuera por la atracción gravitatoria de una masa invisible que las mantenía unidas. La investigación del equipo se publicará en la revista Astronomy and Astrophysics en 2023.
Este hecho llevó a los científicos a plantear la hipótesis de que todas las grandes galaxias están rodeadas por una capa de materia oscura, y esto se ha convertido en una suposición importante en el desarrollo de teorías sobre la evolución de las galaxias. Sin embargo, el descubrimiento de una galaxia que aparentemente no posee materia oscura desafía esta suposición.
Imagen ampliada de la galaxia NGC 1277, tomada por el Telescopio Espacial Hubble, que se encuentra cerca del centro del cúmulo de Perseo, compuesto por más de 1000 galaxias, a 240 millones de años luz de la Tierra. Instituto de Astrofísica de Canarias/P. Kehusma/NASA/ESA
NGC 1277, considerada una reliquia cósmica, es única entre las galaxias, ya que apenas interactúa con otras galaxias a su alrededor. Se cree que estas galaxias son los remanentes de galaxias gigantes que existieron en el universo primitivo. Por ello, estas galaxias reliquia desempeñan un papel importante en la comprensión de los astrónomos sobre cómo se formaron las primeras galaxias.
Para profundizar en esta línea de investigación, Cameron y sus colegas observaron la galaxia reliquia NGC 1277 con un instrumento llamado espectrógrafo de campo integral. Esto les permitió cartografiar el movimiento de la galaxia, determinar su masa y determinar su distribución.
Esto demostró que la distribución de la masa total de NGC 1277, que debe incluir materia oscura, coincide con la distribución de la masa de su materia normal, es decir, estrellas, polvo, gas y planetas. Esto significa que, dentro del radio de la galaxia, el contenido de materia oscura no puede superar el 5 %, pero los resultados son más consistentes con la suposición de que no hay materia oscura en absoluto en NGC 1277.
Esto es sorprendente porque los modelos actualmente aceptados de evolución cósmica, incluido el modelo estándar de cosmología, sugieren que NGC 1277 debería estar compuesta de entre un 10 y un 70 % de materia oscura.
La ilustración muestra una galaxia típica envuelta en un halo de materia oscura, y NGC 1277, que carece de esta misteriosa forma de materia. ESO 325-G004: NASA, ESA
Los científicos responsables del descubrimiento tienen varias hipótesis sobre por qué NGC 1277 contiene tan poca materia oscura. Una hipótesis es que las interacciones gravitacionales con el entorno del cúmulo de galaxias que la contiene provocaron la expulsión de materia oscura. Una segunda hipótesis es que la materia oscura fue expulsada del sistema cuando la galaxia se formó mediante la fusión de fragmentos protogalácticos, dando lugar a la galaxia reliquia.
El equipo no está del todo satisfecho con ninguna de las explicaciones y por ello continuará estudiando NGC 1277 utilizando el Telescopio William Herschel (WHT) en el Observatorio del Roque de los Muchachos en la isla canaria de La Palma.
Si estudios futuros confirman que la galaxia reliquia carece de la forma de materia más misteriosa del universo, los científicos creen que esto no pondrá en duda la existencia de la materia oscura. En cambio, el equipo cree que sí cuestionará los modelos alternativos de la materia oscura, las llamadas teorías modificadas de la gravedad.
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La materia oscura en una galaxia particular puede desaparecer; la ley de gravitación universal modificada debe ser universal; no puede tener excepciones. Por lo tanto, una galaxia sin materia oscura refuta esta alternativa a la materia oscura.
Nuevas pistas sobre la evolución de la energía oscura forman parte de uno de los mapas más detallados del cosmos jamás creados, basado en datos recopilados durante el primer año por el Instrumento de Sondeo Espectroscópico de Energía Oscura (DESI). Los 5000 ojos robóticos del instrumento captan la luz de millones de galaxias que cubren más de un tercio del cielo visible desde la Tierra. Esa luz se descompone en un espectro de colores, lo que permite a los científicos medir la expansión del universo a lo largo de miles de millones de años mediante la medición del cambio en la longitud de onda de la luz, denominado «desplazamiento al rojo».
El actual «modelo estándar» del cosmos, su historia y evolución se denomina modelo de materia oscura fría lambda (LCDM), pero la supremacía de este modelo, en el que lambda representa la constante cosmológica y la energía oscura, puede estar ahora seriamente amenazada.
Esto se debe a que nuevas observaciones del cosmos sugieren que la energía oscura, la fuerza que provoca que nuestro universo se expanda cada vez más rápido, parece estar debilitándose. Puede que esto no parezca gran cosa por sí solo, pero el descubrimiento podría conducir al primer gran cambio de paradigma en la cosmología desde el descubrimiento de la expansión acelerada del universo hace poco más de 25 años. Incluso podría sugerir que nuestro universo terminará no con una «Gran Desgarro» ni un «Gran Enfriamiento», sino con una «Gran Crisis».
El modelo LCDM sugiere que inmediatamente después del Big Bang, el Universo era extremadamente denso e increíblemente caliente, pero al mismo tiempo notablemente liso y más o menos igual o uniforme en todas las direcciones.
A medida que el universo se expandía, comenzaron a formarse pequeñas fluctuaciones de densidad, y estas regiones densas crecieron. Aglomeraciones de materia oscura comenzaron a condensarse a medida que el universo evolucionaba, y los átomos recién formados se acumularon y estimularon el movimiento de moléculas de gas dentro de estas aglomeraciones. Como resultado, el universo quedó compuesto casi en su totalidad de hidrógeno y helio (los dos elementos químicos más ligeros y simples) y materia oscura.
La combinación de electrones y protones para formar los primeros átomos de repente le dio a la luz la capacidad de viajar libremente, y esta primera luz ahora se observa como el fondo cósmico de microondas (CMB), una radiación “fósil” que puede decirnos mucho sobre la historia del universo.
Las regiones de mayor densidad atrajeron gas y materia oscura, formando las semillas de las primeras galaxias del modelo LCDM, que colapsaron para formar protogalaxias. En estas galaxias tempranas, el hidrógeno y el helio formaron las primeras estrellas. Finalmente, las protogalaxias y los halos que las rodeaban se fusionaron para formar galaxias cada vez más grandes.
Sin embargo, es importante señalar que, en este modelo, la energía oscura se representa mediante lambda. Se supone que esta se mantiene constante a lo largo del tiempo.
DESI descubrió que la ecuación de estado del universo no es consistente con el modelo LCDM convencional, sino que indica que la energía oscura cambia con el tiempo. Estos resultados abren una ventana a los modelos de energía oscura variable, ya que demuestran una desviación de una ecuación de estado constante.
Si estos nuevos hallazgos de DESI resultan precisos (y actualmente parecen ser notablemente confiables), entonces la constante cosmológica podría ya no ser un indicador apropiado de la misteriosa fuerza de la energía oscura.
En 1915, Albert Einstein presentó quizás su teoría más revolucionaria, la teoría general de la relatividad, que describía la gravedad como un concepto que surge de la curvatura del espacio y el tiempo, una curvatura causada por cuerpos con masa.
Dos años después, en 1917, Einstein y el astrónomo holandés Willem de Sitter demostraron que las ecuaciones de la relatividad general podían utilizarse para describir el universo, aunque de forma simplificada. Pero existía un problema: el universo descrito por las ecuaciones de la relatividad general no describía un universo en reposo. La creencia popular en física de la época era que el universo era estático, sin expansión ni contracción, y Einstein coincidía. Así que añadió una especie de «factor» a sus ecuaciones: la constante cosmológica, o lambda.
Esto equilibró el universo, añadiendo la cantidad adecuada de atracción y empuje para mantenerlo estático.
Unos 12 años después, en 1929, Edwin Hubble estudiaba galaxias distantes cuando descubrió que su luz se estiraba o se «desplazaba hacia el rojo». Observó que cuanto más lejana estaba la galaxia, más intenso era este efecto. Esto indicaba que el universo no era estático, sino que se expandía. Los científicos dedicaron las siguientes siete décadas a medir la velocidad de esta expansión, un valor denominado «constante de Hubble».
Una fotografía de larga exposición muestra estelas estelares sobre la Tierra. Si la aceleración de la expansión del universo se mantuviera constante durante siglos, estas imágenes serían imposibles. Maxim Senin
Al no necesitar ya describir un universo estático, Einstein eliminó la constante cosmológica de sus ecuaciones del universo, y, según se dice, calificó la introducción de lambda como su «mayor error». Sin embargo, la constante cosmológica no permaneció en el olvido cósmico por mucho tiempo. A finales del siglo XX, lambda había regresado con fuerza y con un nuevo rol.
En 1998, dos equipos distintos de astrónomos, observando supernovas distantes de Tipo 1a y utilizándolas para medir distancias cósmicas, descubrieron que la expansión del universo no se está desacelerando, como cabría esperar. Se está acelerando. La energía oscura se introdujo entonces como indicador de lo que parecía ser la causa de esta expansión acelerada.
En muchos modelos del cosmos, incluido el popular modelo LCDM, la energía oscura está representada por una constante cosmológica rescatada, o lambda, que ahora se opone a la gravedad y expande el tejido mismo del espacio y el tiempo a un ritmo cada vez mayor.
Sin embargo, tras la introducción de la constante cosmológica como magnitud que caracteriza la expansión acelerada del espacio, esta siguió siendo un problema. Los valores obtenidos mediante la observación de supernovas distantes y el valor predicho por las teorías de la física cuántica siguen difiriendo considerablemente, llegando a divergir hasta en 10 elevado a 121 (un uno con 121 ceros).
Ilustración del primer año de datos del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), que muestra una sección del mapa tridimensional más amplio que DESI está creando a lo largo de su estudio de cinco años. Colaboración DESI/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P.Horálek/R.Proctor
Existe un escenario en el que, si la energía oscura es una constante cosmológica inmutable, durante miles de millones de años todas las galaxias se distanciarán tanto que el cielo nocturno sobre la Tierra quedará vacío. Esto podría resultar en que el universo se convierta en un cosmos frío compuesto por galaxias muertas muy dispersas, en el llamado escenario del «Gran Enfriamiento». Alternativamente, la expansión acelerada continua podría causar la ruptura del propio tejido del espacio-tiempo, en un escenario conocido como el «Gran Desgarro».
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Pero el nuevo mapa DESI podría indicar un destino cósmico diferente, en el que el universo colapsa de nuevo, alcanzando el estado caliente y denso observado inmediatamente después del Big Bang. Si los resultados del primer año de DESI son correctos, la expansión acelerada del universo se detendrá y finalmente se revertirá, y el universo podría comenzar a contraerse bajo la influencia de la gravedad. Esto podría eventualmente llevar al colapso del universo en un escenario de «Big Crunch».
En el segundo y tercer año de funcionamiento de DESI, los científicos estudiarán las distorsiones del espacio asociadas con el corrimiento al rojo.
En 2024, el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) obtuvo por primera vez indicios sobre la evolución de la energía oscura, que constituye aproximadamente el 70 % de la masa y la energía del universo. El descubrimiento fue impactante, ya que la mejor descripción que tenemos del cosmos, el modelo estándar de cosmología, o materia oscura fría lambda (LCDM), predice que la energía oscura debería ser constante a lo largo del tiempo.
Nuevos resultados de 2025, proporcionados por el Proyecto de Cosmología de Supernovas e incluyendo 2.087 estrellas vampiro detonantes, también llamadas supernovas estandarizadas Tipo 1a, proporcionan otra línea de evidencia de que la energía oscura no es constante y que el LCDM puede necesitar ser revisado.
Si la energía oscura se debilita, tendrá implicaciones para nuestra comprensión de cómo terminará el cosmos.
Supernova 1994D cerca de la galaxia NGC 4526. NASA, ESA, el equipo del Proyecto Hubble Key y el equipo de búsqueda de supernovas High-Z
Las supernovas de tipo 1a son remanentes estelares llamados enanas blancas, que quedan cuando mueren estrellas del tamaño del Sol. En estrechas asociaciones binarias con otras estrellas, estos cadáveres estelares pueden robar materia como un vampiro cósmico.
Este material se acumula en la enana blanca hasta que la masa de la estrella muerta supera el llamado límite de Chandrasekhar, que es de aproximadamente 1,4 masas solares. Superar este límite significa que la enana blanca puede convertirse en supernova.
La explosión resultante produce supernovas de Tipo 1a, que constituyen una herramienta de medición útil para los astrónomos, ya que su emisión de luz es constante entre eventos. Al comparar supernovas de Tipo 1a a diferentes distancias y observar cómo su luz se desplaza al rojo debido a la expansión del universo, se puede obtener un valor para la tasa de expansión del universo (la constante de Hubble). Este valor permite comprender la influencia de la energía oscura en el cosmos en diferentes momentos.
La historia es significativa porque fue el estudio de 50 supernovas Tipo 1a en 1998 lo que llevó por primera vez a los astrónomos a sospechar la existencia de energía oscura.
Supernova de tipo 1a SN 2011fe, descubierta en la Galaxia del Remolino. BJ Fulton/Palomar Transient Factory
Desde entonces, los astrónomos han observado otras 2000 supernovas de Tipo 1a con diferentes telescopios. El nuevo proyecto Union3 elimina cualquier diferencia entre las observaciones causadas por distintos instrumentos astronómicos, como la deriva de los filtros del telescopio a lo largo del tiempo, y compila el mayor conjunto de datos estandarizados de supernovas de Tipo 1a jamás creado.
Union3 contiene datos sobre 2087 supernovas de 24 conjuntos de datos diferentes que abarcan 7000 millones de años de tiempo cósmico. Se basa en las 557 supernovas catalogadas en el conjunto de datos original de Union2.
El análisis de Union3 parece confirmar los hallazgos de DESI de que la energía oscura se está debilitando con el tiempo, pero los resultados aún no son concluyentes.
El conjunto de datos de supernovas de Tipo 1a del equipo se ampliará con tres conjuntos de datos más en 2026. Dos de ellos contendrán datos sobre supernovas de alto corrimiento al rojo observadas a grandes distancias, y uno contendrá datos sobre supernovas más locales de bajo corrimiento al rojo. Esto debería ayudar a calibrar mejor los nuevos resultados, según los investigadores.
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