La materia oscura es como el andamiaje invisible de una obra: no lo ves cuando miras el edificio terminado, pero sin él nada se sostendría. Desde hace décadas sabemos que algo “extra” aporta gravedad y mantiene unidas a las galaxias, guía cómo se agrupan y dibuja la gran red cósmica. Lo que sigue sin resolverse es qué es exactamente esa materia y cómo se comporta cuando se organiza en estructuras gigantescas.
En ese contexto, un trabajo difundido por ScienceDaily a partir de materiales del Perimeter Institute pone el foco en una posibilidad concreta: que la materia oscura no sea un conjunto de partículas que solo “pasan de largo”, sino que pueda chocar consigo misma. Ese matiz, que suena pequeño, cambia mucho las reglas del juego cuando intentas entender qué ocurre dentro de los halos de materia oscura, esas envolturas masivas que rodean a las galaxias y condicionan su evolución. El estudio, firmado por James Gurian y Simon May y publicado en Physical Review Letters, presenta una herramienta de simulación creada para estudiar precisamente esa clase de escenario.
Qué significa que la materia oscura “interactúe consigo misma”
La idea central es la materia oscura auto-interactuante (conocida como SIDM, por sus siglas en inglés). En este marco teórico, las partículas de materia oscura pueden colisionar entre sí, intercambiando energía en choques elásticos, pero sin interactuar de forma apreciable con la materia normal, la que forma átomos, planetas y personas. Dicho de otro modo: sería como una multitud que no empuja a los objetos del escenario, pero sí se empuja entre sí, y ese empujón colectivo acaba afectando al “flujo” de la multitud.
En cosmología, ese “flujo” importa porque los halos no son bolas rígidas, sino sistemas dinámicos. La distribución de densidad en el centro, la manera en que la energía se mueve de unas regiones a otras y el grado de concentración en el núcleo pueden cambiar si la materia oscura tiene la capacidad de auto-colisionar. Gurian lo plantea con una imagen fácil de seguir: las galaxias, incluida la Vía Láctea, viven dentro de estos halos, que son relativamente difusos si los comparas con un planeta, pero aun así muchísimo más densos que la densidad media del universo.
El colapso gravotérmico: cuando perder energía te calienta
Aquí aparece el fenómeno que da título al hallazgo: el colapso gravotérmico dentro del halo. Puede parecer una contradicción, pero en sistemas dominados por gravedad hay comportamientos contraintuitivos. Si piensas en una taza de café, al perder calor se enfría. En un sistema gravitacional, al perder energía puede ocurrir lo contrario: el núcleo termina más caliente. Es una rareza que se explica porque la gravedad “premia” la concentración: cuando una región central pierde energía hacia afuera, se contrae, y esa contracción incrementa la velocidad típica de las partículas, lo que equivale a una subida de temperatura efectiva.
En el caso de la SIDM, las auto-colisiones actúan como un mecanismo de transporte de energía. Según describen los autores, esa energía tiende a fluir hacia el exterior del halo. El resultado es que el núcleo se va calentando y densificando, como si una ciudad expulsara recursos hacia la periferia y, paradójicamente, el centro se volviera cada vez más congestionado. Con el tiempo, ese proceso puede empujar al núcleo hacia un episodio de colapso marcado, un “apretón” interno que transforma la estructura del halo.
Lo interesante es que no hablamos de un detalle matemático aislado: este tipo de evolución podría dejar señales observables indirectas, ya sea por el modo en que se distribuye la materia en galaxias enanas, por la forma de los perfiles de densidad en regiones centrales o, en escenarios extremos, por su relación con la formación de agujeros negros.
El problema de simular la zona donde pasan las cosas difíciles
Hasta aquí, la teoría suena sugerente. El obstáculo histórico ha sido técnico: simular estos halos con simulaciones cosmológicas realistas. En ciencia computacional, a veces tienes herramientas excelentes para los extremos, pero te fallan en el punto medio. Eso es justamente lo que describen Gurian y May.
Por un lado, están las simulaciones tipo N-body, que representan la materia como muchas partículas y calculan sus interacciones gravitatorias. Funcionan muy bien cuando la densidad es baja y las colisiones entre partículas de materia oscura son raras, porque el sistema se parece a un conjunto de objetos que se influyen sobre todo por gravedad. Por otro lado, existe el enfoque de fluido, que trata el conjunto como un medio continuo y resulta adecuado cuando la densidad es alta y las interacciones son tan frecuentes que el comportamiento se aproxima al de un gas o un fluido.
El problema aparece en el terreno intermedio: cuando las colisiones son relevantes, pero no lo bastante frecuentes como para justificar tratarlo todo como fluido; y cuando el sistema tampoco encaja en el supuesto de “colisiones casi inexistentes”. Ese rango, según explican, era un cuello de botella: demasiado “colisionante” para un método, demasiado “granular” para el otro. Y si no puedes modelarlo bien, es como intentar entender el tráfico de una ciudad usando solo dos herramientas: una que sirve para carreteras vacías y otra para un atasco total, sin nada fiable para la hora punta real.
KISS-SIDM: un puente computacional pensado para ser usable
La aportación práctica del trabajo es un código llamado KISS-SIDM, diseñado para cubrir esa “hora punta” de la materia oscura. La promesa es doble: más precisión en ese régimen intermedio y menos coste computacional. Según la descripción, esto cambia la vida cotidiana del investigador, porque permite explorar parámetros de interacción sin depender necesariamente de un clúster de cómputo. Dicho en versión doméstica: pasas de necesitar una cocina industrial para probar recetas a poder ajustar ingredientes en una cocina pequeña sin perder el control del resultado.
El valor de esa accesibilidad no es trivial. En física de partículas y cosmología, comparar modelos implica barrer rangos de parámetros, repetir simulaciones, contrastar con observaciones y revisar supuestos. Si cada intento cuesta días de cómputo y un acceso limitado a infraestructura, la investigación se vuelve más lenta y menos reproducible. Que la herramienta sea pública y ejecutable en un portátil, tal como se destaca en el comunicado, puede facilitar revisiones independientes y ampliar el número de grupos capaces de probar hipótesis de SIDM con un grado de realismo mayor.
El interés por modelos de materia oscura con interacciones ha crecido, entre otras razones, porque algunas observaciones de galaxias muestran tensiones o “anomalías” cuando se comparan con predicciones simples de materia oscura fría y no interactuante. Neal Dalal, investigador asociado al Perimeter Institute, lo resume en términos de oportunidad: una parte del atractivo de la herramienta es que permitiría hacer cálculos que antes resultaban intratables, abriendo el abanico de estudios posibles.
Qué podría implicar para galaxias y agujeros negros
Si el núcleo de un halo puede densificarse y calentarse por transporte de energía y acabar en un colapso gravotérmico, la pregunta natural es qué significa eso para las galaxias que viven dentro. El halo no es un decorado; es el “campo gravitatorio” en el que se mueven estrellas y gas. Cambiar su estructura central puede modificar cómo se acumula materia en el centro, cómo se estabilizan o no las regiones internas y cómo evolucionan los discos galácticos.
El vínculo con agujeros negros es especialmente sugerente, aunque todavía abierto. Si una región de materia oscura alcanza densidades extremas, podría contribuir a crear condiciones favorables para la aparición de un agujero negro, o para alimentar uno ya existente. Los propios autores señalan que una de las grandes preguntas es el “punto final” del colapso: qué ocurre tras esa fase y cómo se describe la evolución si se forma un agujero negro. Es un recordatorio útil de que una simulación más capaz no “resuelve” el misterio, pero sí permite formularlo con más precisión y acercarlo a predicciones contrastables.
Un avance metodológico con preguntas pendientes
Conviene mantener el equilibrio: este trabajo no detecta materia oscura ni prueba que la SIDM sea la respuesta correcta. Lo que ofrece es una herramienta para explorar un comportamiento que, si existe, tendría consecuencias medibles en la arquitectura de los halos. Es una pieza en el rompecabezas: el tipo de pieza que no se luce en la foto final, pero que hace posible encajar otras.
El artículo científico, titulado “Core Collapse Beyond the Fluid Approximation: The Late Evolution of Self-Interacting Dark Matter Halos”, apunta precisamente a esa ambición: ir más allá de la aproximación de fluido y seguir la evolución tardía del halo cuando la física deja de ser cómoda. Para quienes trabajan en el cruce entre teoría y observación, este tipo de progreso puede ser la diferencia entre discutir ideas de forma abstracta o compararlas con datos reales de galaxias, lentes gravitacionales o estructuras a gran escala. La historia de la materia oscura ha sido, en buena medida, la historia de aprender a preguntar mejor; herramientas como KISS-SIDM buscan que esas preguntas se puedan poner a prueba con menos fricción y más detalle, incluso desde un ordenador personal.
☞ El artículo completo original de Natalia Polo lo puedes ver aquí