Un diagrama decepcionante

El paradigma cosmológico actual señala que el universo está constituido en su inmensa mayoría por ingredientes oscuros que, por mucho que miremos, no se pueden ver. En efecto, de aquello que llena el universo y que merece el calificativo de "materia" por su capacidad de crear y sentir atracción gravitatoria, una mayoría es materia oscura. La materia oscura no solamente no brilla y por tanto no la podemos ver directamente ni con los telescopios más potentes, sino que ni tan siquiera está constituida por átomos, moléculas, iones u otras formas de materia ordinaria o materia bariónica.

La naturaleza de la materia oscura es a fecha de hoy desconocida, y probablemente consista en una o varias clases de partículas exóticas, todavía por descubrir. ¿Por qué no puede ser bariónica? Pues porque la densidad de bariones es la que determinan las abundancias de isótopos de hidrógeno, helio y litio que se formaron durante los primeros minutos de vida del universo, y que necesitamos para explicar lo que medimos hoy. Si la materia oscura fuera bariónica, hoy no habría deuterio (un isótopo del hidrógeno) en el universo, ya que no se habría apenas formado en esa época temprana y las estrellas son eficientes depredadoras de este material. Y deuterio hay poco, pero hay.

Siendo esto grave, lo de la energía oscura es peor. Esta componente dominante del universo es la encargada de que éste se expanda cada vez más rápido, efecto contrario al que produce cualquier clase de materia (ordinaria y oscura). Y por supuesto, tampoco la vemos.

Componentes del universo
Esta composición del universo está muy sólidamente asentada sobre observaciones astronómicas, incluidas las que aporta la misión Planck de la ESA en cuanto a la radiación de fondo de microondas. Las últimas cuentas arrojan el desolador panorama que muestra la figura: tan solo un 5 % (un 4,9 % para ser precisos) del universo es materia ordinaria o bariónica.


Contando bariones

Tampoco esa componente bariónica, a la que los astrónomos miramos con nuestros telescopios, es fácil de detectar. Un recuento reciente (que se ilustra en la figura) efectuado por Mike Shull y colaboradores, indica que no hemos localizado ni de lejos toda la materia bariónica del universo, a su vez un minúsculo 4,9 % del total. De esa materia bariónica, tenemos un 7 % encerrada en galaxias, en la forma de estrellas, planetas, medio interestelar etc. Un incierto 5 % adicional lo constituyen gases arrojados por vientos y flujos de las galaxias, pero atrapados en sus alrededores por la gravedad de la propia galaxia. En aquellas zonas donde la materia oscura se ha concentrado más y se han acumulado galaxias hasta formar un cúmulo de galaxias, hay también atrapado un 4 % adicional de materia ordinaria a temperatura de decenas de millones de grados y que podemos ver con los telescopios actuales de rayos X.

El resto de la materia ordinaria que hemos conseguido detectar es tan tenue, que no brilla lo suficiente para que la podamos ver directamente. Sin embargo, observando fuentes muy brillantes y lejanas (como cuásares), vemos que esa tenue materia ordinaria deja una huella inequívoca en forma de líneas de absorción. Un 30 % adicional de bariones se encuentra en las llamadas "nubes Lyman alfa", bolsas de hidrógeno fotoionizado por los propios cuásares y las galaxias, y que tienen una temperatura de unos diez mil grados. Y un más incierto 15-25 % se añade por otras nubes de gas a una temperatura de unos cien mil grados, delatadas por líneas de absorción de oxígeno e hidrógeno.

Distribución de materia ordinaria
Sumando todo ello, nos quedan todavía por localizar entre un 30 y un 40 % de los bariones del universo ¿Dónde están?


El medio intergaláctico caliente

Hay que buscar mejor fuera de las galaxias, entre unas y otras. Las simulaciones numéricas del proceso de formación de galaxias indican de forma inequívoca que éstas se forman al quedar los bariones atrapados en el campo gravitatorio que crean las acumulaciones de materia oscura. Pero ni de lejos todos los bariones se quedan allí encerrados. De hecho, una parte muy importante de los mismos se espera que estén en el medio intergaláctico, a temperaturas de millones de grados y siguiendo las estructuras filamentosas que marca la distribución de materia oscura.

Esto es la teoría, pero probar que es cierto está al límite de la capacidad tecnológica actual. Para detectar esos filamentos de gas muy caliente, hay que recurrir a telescopios de rayos X, observar fuentes cósmicas muy brillantes y buscar líneas de absorción producidas por los átomos altamente ionizados. Varios equipos internacionales lo llevan intentando desde hace años usando los dos telescopios de rayos X más potentes que hay en órbita: Chandra (de la NASA) y XMM-Newton (de la ESA). Y no solo eso, hay que encontrar una fuente muy brillante en rayos X, que al observarla con un espectrómetro de alta resolución nos muestre líneas de absorción creadas por el oxígeno altamente ionizado que habría en esos (todavía hipotéticos) filamentos a temperaturas de millones de grados del medio intergaláctico.

1ES 1553+113

Un equipo internacional liderado por Fabrizio Nicastro, del Observatorio de Roma, ha encontrado la mejor fuente conocida de rayos X para este experimento: 1ES 1553+113. Se trata de una galaxia activa extremadamente brillante, de tipo BL Lac y bastante lejana (redshift cosmológico por encima de 0,4). Al ser un BL Lac su espectro intrínseco se espera que sea muy plano y simple, muy importante para detectar encima del mismo las huellas del medio intergaláctico caliente. Al ser distante, la probabilidad de cruzar uno o varios filamentos aumenta.

Después de observar esta fuente con el observatorio Chandra durante medio millón de segundos (6 días), hemos encontrado tres (quizás cuatro) candidatos a filamentos del medio intergaláctico caliente en absorción dentro de su espectro. Pero el espectro es todavía muy ruidoso y cabe la posibilidad de que algunas de las líneas de absorción no sean reales, sino ruido.

De confirmarse este hallazgo, representaría la primera prueba incontrovertible de la Observatorio espacial de rayos X XMM-Newton (ESA). Crédito: ESAexistencia en el medio intergaláctico de al menos una parte de ese 30 o 40 % de los bariones perdidos. Esta oportunidad la vamos a tener con el observatorio XMM-Newton de la ESA en los próximos meses, ya que va a realizar una observación de un millón y medio de segundos efectivos (17 días) de 1ES 1553+113. Para dentro de un par de años tendremos la respuesta.

Sin embargo, eso no será más que la punta de lanza, pues proporcionará unos pocos ejemplos de esos filamentos. Para poder estudiarlos con el detalle necesario y saber si efectivamente contienen los bariones perdidos, hará falta un observatorio de rayos X mucho más potente. Ese observatorio será la misión Athena, que esperamos la ESA lance al espacio en 2028. Pero, esto es tema para otro día.

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Xavier Barcons
Xavier Barcons

Profesor de investigación del CSIC en el Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC), del que fue primer director (1995-99). Investiga en galaxias activas en rayos X con XMM-Newton y otros telescopios. Fue asesor científico de la ESA (2002-06), del Plan Nacional de I+D+i (2004-2014), vicepresidente (2011) y presidente (2012-14) del Consejo del ESO, representante en el directorio de ALMA (2008-14). Impulsor y partícipe de la misión Athena y coordinador del equipo científico del instrumento X-IFU.

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Contar lo fascinante que es observar el universo e intentar entenderlo, en particular aquellos fenómenos más energéticos y más difíciles de percibir. Las herramientas que usamos, en tierra y en el espacio. Y, por qué no, responder cuando alguien pregunta «Y todo esto, ¿para qué sirve?».

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