En un estudio reciente publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo de científicos ha logrado establecer un nuevo límite inferior sobre la masa de las partículas de materia oscura bosónica ultraligera. Este hallazgo es significativo dado que la materia oscura se estima que constituye aproximadamente el 85% del contenido de materia del universo, aunque su existencia solo ha podido inferirse a través de sus efectos gravitacionales sobre las estructuras cósmicas.
Hasta ahora, los investigadores habían logrado establecer límites de masa para la materia oscura asumiendo que esta era fermiónica, utilizando el principio de exclusión de Pauli. Este principio establece que dos fermiones, como electrones o protones, no pueden ocupar el mismo estado cuántico de manera simultánea. Sin embargo, este principio no se aplica a los bosones, lo que complica la caracterización de la materia oscura.
Observaciones cinemáticas de Leo II
El enfoque del equipo se centra en los datos obtenidos del cúmulo Leo II, una galaxia enana que orbita la Vía Láctea. Al ser un vecino cercano, la interpretación de la información obtenida es más directa, evitando complicaciones relacionadas con la expansión del universo.
Al estudiar el movimiento de las estrellas en Leo II, los científicos pueden inferir cómo se distribuye la materia oscura en esta galaxia. El movimiento estelar está determinado por la influencia gravitacional de la masa total de la galaxia, que incluye la materia oscura. El autor principal del estudio, Tim Zimmermann, un candidato a doctorado en el Instituto de Astrofísica Teórica de la Universidad de Oslo, explicó que su trabajo establece un nuevo límite fundamental sobre la masa de las partículas de materia oscura, asumiendo que pertenecen a la categoría de bosones ultraligeros.
Según los resultados de su estudio, la masa de la materia oscura bosónica ultraligera debe ser superior a 2 × 10-21 electronvolts (eV), lo que representa un aumento de 100 veces respecto a estimaciones anteriores que se basaban en el principio de incertidumbre de Heisenberg.
El equipo utilizó un muestreador de Monte Carlo llamado GRAVSPHERE para crear 5,000 perfiles de densidad de materia oscura que son consistentes con la cinemática estelar observada en Leo II. Posteriormente, compararon estos perfiles basados en observaciones con aquellos generados por funciones de onda cuánticas que representaban diferentes masas de materia oscura.
Los investigadores descubrieron que cuando la masa de la partícula de materia oscura es demasiado baja (por debajo de 2.2 × 10-21 eV), las funciones de onda cuánticas no pueden reproducir la distribución observada de la densidad de materia oscura, debido a limitaciones fundamentales del principio de incertidumbre. La «nebulosidad cuántica» de estas partículas ligeras hace que se comporten más como ondas que como partículas localizadas, lo que impide que la materia oscura se concentre en regiones pequeñas.
El estudio también subraya la presión que ya enfrentaban los modelos populares de materia oscura ultraligera, como la materia oscura difusa, que tradicionalmente propone partículas con masas alrededor de 10-22 eV.
Los autores del estudio expresaron su interés en explorar modelos de materia oscura mixta, una idea en creciente popularidad que sugiere que la materia oscura no está compuesta por una sola partícula con una única masa, sino por múltiples partículas de diferentes masas. Esta evolución en la investigación podría ofrecer nuevas perspectivas sobre la naturaleza de la materia oscura y su rol en el universo.
