Dos conciencias

La materia oscura representa alrededor del 85 % de toda la materia del universo, pero sigue siendo uno de los mayores misterios de la física moderna. No brilla, no absorbe luz y no interactúa con la materia ordinaria más allá de la gravedad. Durante décadas, el modelo más aceptado ha sido el de la materia oscura fría (CDM, por sus siglas en inglés): un mar invisible de partículas pesadas, lentas y sin interacción. Esta teoría funciona bien al explicar la formación de estructuras a gran escala como cúmulos de galaxias, pero tropieza al intentar describir los detalles más finos, como la distribución de materia en el centro de las galaxias.

Las observaciones apuntan a que el centro de muchas galaxias es más suave de lo que predice el modelo CDM, el cual sugiere la presencia de un «pico» de densidad. Para resolver esta discrepancia, investigadores están explorando modelos alternativos, y uno de los más interesantes propone que la materia oscura se comporta como un superfluido cuántico.

¿Qué es un superfluido y qué tiene que ver con el cosmos?

Un superfluido es un estado exótico de la materia que aparece en condiciones extremadamente frías, como en los laboratorios donde se estudian los condensados de Bose–Einstein (BEC). En este estado, los átomos se comportan como si fueran una única entidad cuántica, con propiedades inusuales como fluir sin fricción y formar vórtices cuánticos. El comportamiento de estos sistemas se rige por una ecuación conocida como Gross–Pitaevskii, una versión no lineal de la ecuación de Schrödinger.

La idea es que, si la materia oscura está compuesta por partículas ultraligeras, como los axiones, estas podrían comportarse de forma ondulatoria en lugar de como partículas individuales. En condiciones apropiadas, estas partículas podrían formar un condensado cuántico a gran escala, comportándose como un superfluido que llena los halos galácticos.

Simulaciones con materia oscura que gira

Un estudio reciente se propuso investigar cómo se comportaría esta materia oscura superfluida si la galaxia rota. Para ello, los investigadores utilizaron simulaciones basadas en la ecuación de Gross–Pitaevskii, añadiendo rotación a halos esféricos de materia oscura ultraligera. Con el paso del tiempo, el sistema evolucionó hacia una configuración sorprendente: el núcleo de la galaxia se convirtió en un solitón giratorio, una estructura densa y estable que rota de forma similar a un cuerpo sólido.

Pero lo más fascinante fue la aparición de líneas de vórtice cuántico, estructuras delgadas donde el flujo del superfluido se concentra, girando alrededor de un eje. Estas líneas, que recuerdan a pequeños remolinos, se alineaban con el eje de rotación de la galaxia, formando una especie de red ordenada en el plano ecuatorial. El resultado era una rotación coherente y suave, sin los picos de densidad que predice el modelo CDM tradicional.

Este fenómeno es conocido en los laboratorios donde se estudian superfluidos, pero trasladarlo al contexto cósmico implica una conexión inesperada entre la física cuántica y la cosmología: los mismos principios que describen átomos fríos en una cámara de vacío podrían aplicarse a la estructura de galaxias enteras.

Vórtices como andamiaje cuántico del universo

Las líneas de vórtice no solo explican la rotación suave de las galaxias. Los investigadores plantean que podrían formar una especie de estructura de soporte cuántica, actuando como «andamios» invisibles que estabilizan el movimiento de la materia en el núcleo galáctico. Estas estructuras permitirían que las galaxias mantengan su forma sin necesidad de densos cúmulos de materia en el centro.

Y hay más. En algunas simulaciones, los vórtices parecen extenderse más allá de una sola galaxia, insinuando la posibilidad de que puedan conectar halos vecinos. Esta idea sugiere un escenario en el que los filamentos cósmicos que conectan galaxias —esa especie de red tridimensional que forma el esqueleto del universo— podrían tener un componente de flujo cuántico continuo, como si fueran hilos de una tela cósmica tejida por la propia materia oscura.

Qué implicaciones tiene este modelo para la ciencia

Si esta teoría se confirma, tendría repercusiones enormes. Para empezar, permitiría explicar la forma en que las galaxias rotan sin requerir concentraciones extremas de masa en sus núcleos. También podría ofrecer una nueva interpretación de fenómenos como las lentes gravitacionales o las colisiones galácticas, donde la distribución de materia invisible afecta el comportamiento de la luz.

Desde el punto de vista de la física de partículas, este modelo da un impulso importante a la búsqueda de axiones u otras partículas ultraligeras, al proponer un contexto macroscópico donde sus propiedades ondulatorias se manifiestan. Y desde la cosmología, ofrece una vía para unificar escalas: conectar lo que ocurre en un laboratorio de física cuántica con los procesos que moldean el universo a escalas inimaginables.

Este trabajo se ha centrado en halos relativamente simples, y los autores planean extender sus investigaciones a configuraciones más complejas, como simulaciones en tres dimensiones donde los vórtices ya no son líneas, sino anillos, con dinámicas aún más ricas.

La idea de que la materia oscura fluya como un superfluido cósmico puede parecer ciencia ficción, pero está fundada en ecuaciones bien conocidas y fenómenos observados en laboratorio. Es como si el universo escondiera en sus rincones más oscuros un comportamiento que ya hemos visto, solo que a una escala mucho mayor.

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by Natalia Polo via WWWhat's new