El telescopio James Webb y la materia oscura: así es el mapa más detallado jamás creado del andamiaje invisible del universo

Durante 255 horas, el telescopio espacial James Webb ha permanecido con su mirada fija en una pequeña porción del cielo en la constelación de Sextans, apenas dos veces y media el tamaño de la Luna llena.

El resultado de esa observación paciente acaba de publicarse en la revista Nature Astronomy y supone un hito en la comprensión de la materia oscura: el mapa de mayor resolución jamás elaborado de esta sustancia invisible que, sin embargo, constituye cinco sextas partes de toda la materia del universo.

"Anteriormente estábamos mirando una imagen borrosa de la materia oscura. Ahora estamos viendo el andamiaje invisible del universo con un detalle impresionante, gracias a la increíble resolución del Webb", explica Diana Scognamiglio, astrofísica del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en California y autora principal del estudio.

El telescopio Webb ha identificado casi 800.000 galaxias en esa región del espacio, muchas de ellas detectadas por primera vez. Pero el objetivo de Scognamiglio y su equipo internacional no eran las galaxias en sí, sino lo que hay entre ellas: la materia oscura, esa componente fantasmal que no emite luz, no la absorbe ni la refleja, y que atraviesa la materia ordinaria como si fuera un espectro. Su única interacción conocida con el resto del universo es la gravedad.

La luz como testigo de lo invisible

Para trazar el mapa de algo que no se puede ver directamente, los científicos han recurrido a una técnica denominada "lente gravitacional débil". La materia oscura curva el espacio mismo con su masa, lo que a su vez deforma la luz que viaja desde galaxias distantes hasta la Tierra. Es como si esa luz hubiera pasado a través de un cristal irregular: su trayectoria se modifica de manera casi imperceptible.

El equipo midió las formas de 129 galaxias por cada minuto de arco cuadrado (una unidad angular minúscula del cielo) para detectar esas distorsiones sutiles. Esta densidad de mediciones, combinada con la potencia del telescopio Webb, ha permitido alcanzar una resolución angular superior a un minuto de arco, más del doble que los mapas anteriores elaborados con el telescopio espacial Hubble.

El mapa no es meramente una mejora técnica. Revela cómo la materia oscura y la materia ordinaria han evolucionado juntas a lo largo de la historia cósmica, entrelazándose en filamentos, cúmulos y regiones de menor densidad.

El mapa rastrea características de masa hasta un desplazamiento al rojo de aproximadamente 2, incluyendo la estructura más distante detectada, situada a un desplazamiento al rojo de 1,1, lo que equivale a observar el universo cuando tenía apenas una fracción de su edad actual.

Crecieron juntas

La coincidencia espacial entre ambos tipos de materia no es casual. "Dondequiera que vemos un gran cúmulo de miles de galaxias, también vemos una cantidad igualmente masiva de materia oscura en el mismo lugar. Y cuando vemos una delgada hebra de materia ordinaria conectando dos de esos cúmulos, vemos también una hebra de materia oscura", señala Richard Massey, astrofísico de la Universidad de Durham en Reino Unido y coautor del estudio.

"No se trata sólo de que tengan las mismas formas. Este mapa nos muestra que la materia oscura y la materia ordinaria siempre han estado en el mismo lugar. Crecieron juntas".

Esta relación es esencial para comprender la formación de todo lo que existe. En los primeros instantes del universo, tanto la materia ordinaria como la oscura estaban probablemente distribuidas de forma dispersa, pero la materia oscura comenzó a agruparse primero, y esos cúmulos atrajeron después a la materia ordinaria, creando regiones con suficiente material para que comenzaran a formarse estrellas y galaxias.

Sin ese andamiaje gravitatorio invisible, las galaxias no habrían tenido tiempo suficiente para formar las primeras generaciones de estrellas, responsables de transformar el hidrógeno y el helio (que componían casi la totalidad del universo primitivo) en el rico abanico de elementos que hoy forman planetas como la Tierra.

"Este mapa proporciona evidencias más sólidas de que, sin materia oscura, podríamos no tener los elementos en nuestra galaxia que permitieron que apareciera la vida", afirma Jason Rhodes, astrofísico del JPL y coautor del trabajo.

Un campo de observación histórico

La región observada forma parte del proyecto Cosmic Evolution Survey (COSMOS), un esfuerzo colaborativo internacional que ha movilizado al menos 15 telescopios terrestres y espaciales para estudiar la misma porción del cielo. El primer mapa de materia oscura de esta área fue elaborado en 2007 utilizando datos del telescopio Hubble, en un proyecto liderado precisamente por Massey y Rhodes.

El nuevo mapa del Webb contiene casi 10 veces más galaxias que los mapas de la misma zona realizados por observatorios terrestres y el doble que el de Hubble, lo que ha permitido revelar nuevos cúmulos de materia oscura y capturar con mayor nitidez las regiones previamente observadas.

Para afinar las mediciones de distancia a muchas de las galaxias incluidas en el mapa, el equipo utilizó el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del Webb, diseñado y gestionado por el JPL, junto con otros telescopios espaciales y terrestres. Las longitudes de onda que detecta MIRI también lo hacen especialmente apto para detectar galaxias oscurecidas por nubes de polvo cósmico.

El futuro de la cartografía cósmica

El trabajo no se detiene aquí. Scognamiglio y algunos de sus coautores también cartografiarán la materia oscura con el próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA sobre un área 4.400 veces mayor que la región COSMOS.

Los objetivos científicos principales de Roman incluyen conocer más sobre las propiedades fundamentales de la materia oscura y cómo pueden haber cambiado o no a lo largo de la historia cósmica. Sin embargo, los mapas de Roman no superarán la resolución espacial del Webb.

El telescopio espacial Euclid de la Agencia Espacial Europea, lanzado en 2023, y el futuro telescopio Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para este otoño, proporcionarán observaciones complementarias de materia oscura a través de una porción mucho más amplia del cielo.

Ambos instrumentos han sido diseñados para grandes sondeos, mientras que el Webb se concentra en porciones más pequeñas con mayor detalle.

Miradas más detalladas a la materia oscura solo serán posibles con telescopios de próxima generación como el Habitable Worlds Observatory, el próximo buque insignia de astrofísica conceptualizado por la NASA.

Por ahora, este mapa representa una ventana sin precedentes hacia la arquitectura oculta del cosmos. Como afirma Scognamiglio, es "una manera de rastrear, realmente, la columna vertebral del universo". Una columna vertebral invisible que, paradójicamente, sostiene todo lo que podemos ver.