El James Webb halla demasiada materia oscura en el núcleo del cúmulo XLSSC 122

El telescopio espacial James Webb ha revelado que el cúmulo de galaxias XLSSC 122, cuya luz ha viajado unos 10.400 millones de años, concentra en su núcleo más materia oscura de la que predicen los modelos cosmológicos. Es el cúmulo más lejano conocido que actúa como lente gravitatoria fuerte, según tres estudios dirigidos desde el IPAC de Caltech.

¿Qué es XLSSC 122?

XLSSC 122 es un cúmulo de galaxias muy lejano, con un desplazamiento al rojo de 1,98, que vemos tal como era hace unos 10.400 millones de años. Se descubrió en 2014 en un rastreo de rayos X del observatorio europeo XMM-Newton, que detectó el gas caliente que llena el espacio entre sus galaxias.

El telescopio espacial Hubble confirmó después su distancia y mostró algo llamativo: para su edad, el cúmulo parecía demasiado desarrollado. Pero Hubble no llegó a ver con claridad el efecto que ahora ha captado el James Webb, un instrumento que ya ha cambiado lo que sabíamos de objetos tan cercanos como los anillos de Cariclo y tan lejanos como este.

El cúmulo pertenece a la época que los astrónomos llaman mediodía cósmico, unos 3.000 o 4.000 millones de años después del Big Bang, cuando el universo formaba estrellas al ritmo más alto de su historia.

¿Cómo se pesa la materia oscura con una lente gravitatoria?

Midiendo cuánto curva la luz de las galaxias que hay detrás. Según la relatividad general de Einstein, una gran masa deforma el espacio a su alrededor, y la luz que pasa cerca se desvía como a través de una lente. Cuanta más masa, mayor es la deformación.

Cuando la masa está muy concentrada, el efecto es tan intenso que las galaxias del fondo aparecen estiradas en forma de arcos, a veces repetidas. Es lo que se llama lente gravitatoria fuerte, y es justo lo que el Webb ha observado por primera vez con claridad alrededor del centro de XLSSC 122. «La lente fuerte es una forma de medir la materia oscura sin llegar a verla», resume Kyle Finner, investigador del IPAC, el centro de ciencia astrofísica de Caltech, y autor principal del primer estudio.

La técnica es clave porque la materia oscura no emite ni refleja luz. Se estima que es unas cinco veces más abundante que la materia ordinaria, y solo se detecta por su gravedad. En un cúmulo, las estrellas y el gas aportan una parte pequeña de la masa total; el resto, lo que realmente curva la luz, es materia oscura. Es la misma sustancia que experimentos subterráneos como LZ intentan cazar directamente en la Tierra.

¿Por qué su núcleo sorprende a los cosmólogos?

Porque tiene demasiada masa en muy poco espacio para un cúmulo tan joven. Con los arcos medidos por el Webb, el equipo calculó que en los 100 kiloparsecs centrales del cúmulo (unos 326.000 años luz) hay alrededor de 65 billones de masas solares.

El dato más llamativo es la concentración, un número que indica cuánto se acumula la masa hacia el centro. En XLSSC 122 vale 6,3 ± 0,5, un valor que los autores califican de excepcionalmente alto. Ninguna de las relaciones entre masa y concentración que se usan para describir los cúmulos encaja bien con el perfil medido.

En el modelo cosmológico estándar, los cúmulos crecen poco a poco, absorbiendo galaxias y grupos durante miles de millones de años, y sus núcleos se van compactando con el tiempo. Encontrar uno tan concentrado tan pronto sugiere, en palabras de los autores, que la formación de estructuras masivas en el universo temprano pudo ser más rápida de lo que predicen los modelos. «XLSSC 122 es uno de los primeros cúmulos que sabemos que se formaron en el universo», señala Finner.

Un segundo estudio, encabezado por Zachary Scofield, de la Universidad Yonsei (Corea del Sur), combinó la lente gravitatoria débil, que mide las regiones exteriores, con datos de rayos X y de radio. Su conclusión es que el cúmulo todavía se está fusionando con otras estructuras: un sistema maduro en el centro, pero aún en construcción por fuera.

¿Qué es la luz intracúmulo y por qué importa?

Es el brillo tenue de estrellas arrancadas de sus galaxias que vagan sueltas por el cúmulo. El tercer estudio, dirigido por Hyungjin Joo, también de la Universidad Yonsei, ha detectado esa luz en XLSSC 122: es la observación más antigua de luz intracúmulo conocida hasta ahora.

Muchas de esas estrellas todavía no se han asentado en el centro, algo coherente con un cúmulo en plena fusión. Pero lo más interesante es que, cerca del núcleo, la forma de esa luz coincide estrechamente con la distribución de materia oscura deducida por la lente. «En este cúmulo, la luz intracúmulo básicamente traza la materia oscura», afirma Finner.

Si esa relación se confirma en otros cúmulos tempranos, la luz intracúmulo podría servir como un trazador visible de la materia oscura, una forma de cartografiarla allí donde no hay arcos de lente que medir.

¿Cambia esto el modelo del universo?

No por ahora. Los investigadores subrayan que XLSSC 122 es un único objeto y que hace falta una muestra mucho mayor para saber si sus propiedades son una rareza o un patrón. «Todavía es pronto en la era del JWST», recuerda Finner. El resultado no invalida la teoría, pero apunta a que los modelos podrían necesitar ajustes, y los autores plantean como posibilidades abiertas desde una evolución más rápida de las galaxias hasta formas tempranas de energía oscura.

Encontrar más cúmulos así no será fácil. El campo de visión del Webb es pequeño, de modo que primero hay que localizar candidatos con rastreos amplios de rayos X o de radio, como los que buscan la huella que deja el gas caliente de los cúmulos en el fondo cósmico de microondas. Los grandes cartografiados del cielo de esta década, como los de la misión europea Euclid, deberían multiplicar el número de candidatos que luego el Webb pueda estudiar en detalle.

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