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Un nuevo modelo analítico podría arrojar luz sobre la distribución de las estrellas y la materia oscura en las galaxias

Un grupo de investigadores financiado con fondos europeos ha desarrollado nuevas herramientas teóricas para obtener una imagen más clara de la formación de las galaxias y la distribución de la materia teniendo en cuenta distintos modelos cosmológicos subyacentes.

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Se espera que las exploraciones cosmológicas que se van a realizar en un futuro próximo detecten miles de millones de galaxias e indiquen sus ubicaciones y formas con una precisión exquisita. Estas mediciones se pueden usar para inferir cómo ha evolucionado el universo hasta su estado actual. A su vez, es posible utilizar esta información para inferir los componentes fundamentales del cosmos y, posiblemente, obtener información nueva sobre las misteriosas energía y materia oscuras que constituyen la inmensa mayoría de la masa del universo. «Con el fin de obtener información relevante sobre las propiedades de las galaxias en cuanto se refiere a la materia oscura, se necesita un conocimiento sólido del proceso inverso: ¿de qué modo los distintos modelos teóricos de la materia oscura y la energía oscura afectan a la formación de estructuras cosmológicas y, por consiguiente, a las propiedades de las galaxias?», señala Alexander Mead, coordinador del proyecto de modelización Halo, financiado por el programa de Acciones Marie Skłodowska-Curie.

Modelo de halos cosmológicos mejorado

La forma más directa de demostrar la formación de una estructura es realizar simulaciones cosmológicas que implican ataques exhaustivos de fuerza bruta para cualquier escenario cosmológico imaginado. El proyecto de modelización Halo ha desarrollado nuevas herramientas teóricas que ahorran millones de horas de tiempo de cálculo. «Nuestro modelo semianalítico de nuevo desarrollo aporta varias mejoras al modelo de halos ya establecido desde hace tiempo, mediante la combinación de la información que se desprende de los resultados de las simulaciones avanzadas actuales. Por primera vez, se tratan las partes constitutivas del halo (halos estelares, de gas caliente y materia oscura) por separado, lo cual permite trazar una imagen más coherente de la evolución de las galaxias. También permite utilizar el mismo marco teórico subyacente para calcular las correlaciones cruzadas entre distintos trazadores de las estructuras a gran escala del universo», explica Mead. Otra parte de la investigación pretendía proporcionar una descripción más precisa de cómo los agregados de materia vinculados gravitatoriamente están distribuidos en el halo de gas tenue y el halo de materia oscura invisible. Con su nuevo modelo, los investigadores pudieron modelizar con éxito la distribución de la materia, con una precisión superior al 3 %, en una amplia variedad de modelos cosmológicos. El nuevo modelo se utilizó como base en el nuevo «software» de código abierto llamado HMcode-2020. En última instancia, los investigadores se dieron cuenta de que una carencia importante de la teoría estándar de formación de estructuras cosmológicas es que trata el sesgo del halo (una cantidad que expresa cómo los halos de materia oscura están agregados en comparación con la distribución de materia subyacente) de una forma simplificada. «Las relaciones lineales no describen correctamente la dinámica alrededor de las estructuras colapsadas. Profundizar en el desarrollo de la teoría de perturbaciones para abordar las no linealidades es una cuestión avanzada para la cosmología teórica», añade Mead. «La mejora de las simulaciones podría aportar una imagen más nítida de cómo la formación de galaxias responde al modelo cosmológico de base, lo que incluye la cantidad y los tipos de energía oscura y materia oscura, pero simular todos los escenarios cosmológicos, raros y maravillosos, en consideración, sería imposible. Un modelo semianalítico que cubre la distancia entre la visión puramente teórica y los resultados de las simulaciones siempre será una herramienta valiosa en el arsenal de los cosmólogos», concluye Mead.

Palabras clave

Modelización Halo, halo, materia oscura, formación de estructuras, materia enlazada gravitatoriamente, escenario cosmológico, teoría de las perturbaciones

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