Aunque las galaxias que observamos parecen estar aisladas, en realidad no se distribuyen de manera aleatoria en el Universo. Se forman en el interior de enormes estructuras llamadas halos de materia oscura, invisibles a nuestros ojos, cuya gravedad mantiene unidas la materia y las galaxias.

A escalas mucho mayores, la distribución de las galaxias revela una organización conocida como la red cósmica, compuesta por cúmulos, que son regiones con grandes concentraciones de materia; filamentos, similares a autopistas por las que la materia y el gas fluyen hacia regiones más densas; hojas o paredes, con densidades intermedias; y gigantescos vacíos, que ocupan la mayor parte del volumen del Universo.

El objetivo de este trabajo se centró en entender cómo la historia de formación de los halos de materia oscura y el entorno en el que habitan se relacionan con la formación y las propiedades de sus galaxias. Para ello se utilizaron datos de una simulación cosmológica, capaz de reproducir en un computador la evolución de una gran cantidad de galaxias y de las estructuras de materia oscura que las albergan, siguiendo las reglas del Modelo Cosmológico Estándar.

Los resultados muestran que las galaxias centrales, es decir, las galaxias ubicadas cerca del centro de cada halo, conservan una huella de la historia de formación de su halo anfitrión. En particular, el momento en el que un halo reunió la mitad de su masa actual está íntimamente conectado con características observables de su galaxia, como el momento en que esta formó la mitad de sus estrellas observadas actualmente y la proporción de la masa del halo que terminó convertida en materia estelar. Esto indica que, para entender una galaxia, no basta con conocer la masa actual de su halo: también es necesario considerar cómo y cuándo se formó.

La investigación también abordó el papel que juega el entorno local mediante una cantidad llamada anisotropía (propiedad de un material o medio físico cuyas características cambian según la dirección en la que se miden) de marea, que permite determinar si la gravedad alrededor de un halo actúa de manera similar en todas las direcciones o si, por el contrario, es mucho más intensa en unas direcciones que en otras. A través de los datos descubrimos que el entorno local muestra una clara relación con el tiempo de formación de los halos. Sin embargo, su efecto directo sobre las propiedades de las galaxias es más débil que el producido por la propia historia de formación del halo.

En este sentido, el entorno parece modificar la intensidad de la conexión entre los halos y sus galaxias, pero no es el factor principal que determina las propiedades estudiadas. Adicionalmente, la anisotropía de marea también puede relacionarse con las estructuras de la red cósmica. En términos generales, los cúmulos y los vacíos presentan entornos locales donde la gravedad actúa de forma más similar en distintas direcciones, mientras que los filamentos y las paredes están asociados con entornos locales donde la gravedad es asimétrica. No obstante, la clasificación tradicional de la red cósmica no contiene por sí sola toda la información necesaria para describir la historia de formación de los halos o las propiedades de sus galaxias. Por esta razón, la red cósmica y la anisotropía de marea deben entenderse como descripciones diferentes, pero complementarias, del entorno.

Estos resultados ayudan a comprender cómo las estructuras invisibles de materia oscura condicionan la formación del Universo visible. El principal aporte de esta investigación es mostrar que la historia de formación de los halos deja una huella reconocible en sus galaxias centrales, mientras que el entorno local actúa principalmente modificando esa relación. Distinguir estos efectos permite construir interpretaciones más precisas sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias, con esto se logra aprovechar mejor la información proporcionada por las simulaciones cosmológicas y las observaciones del Universo.

Yeimy Dallana Camargo Camargo, investigadora independiente.

Comunicado de prensa:

Las galaxias guardan memoria de su pasado invisible

No podemos verla, pero la materia oscura forma el gran andamiaje sobre el que nacen y evolucionan las galaxias. Utilizando IllustrisTNG300, una simulación cosmológica de gran escala, Yeimy Dallana Camargo reconstruyó las historias de formación de galaxias y de los halos de materia oscura que las albergan para responder una pregunta fundamental: ¿por qué estructuras de masa semejante pueden haber tenido historias tan diferentes?

La investigación encontró que, especialmente en galaxias centrales de menor masa, el momento en que se ensambló el halo deja una huella medible en la galaxia, tanto en su tiempo de formación como en la eficiencia con la que convirtió materia en estrellas. También mostró que el entorno inmediato influye: los halos que se formaron más temprano tienden a encontrarse en ambientes más anisotrópicos. Sin embargo, el resultado más revelador es que la historia del propio halo pesa más que su simple ubicación en un filamento, cúmulo, pared o vacío de la red cósmica.

La tesis, distinguida como meritoria por la Universidad Nacional, combina simulaciones cosmológicas, métodos numéricos y análisis estadístico para aportar nueva evidencia a una de las grandes preguntas de la cosmología contemporánea: cómo se formaron las estructuras que dieron origen al universo que observamos hoy. Parte de sus resultados ya fue publicada en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Más información:
Yeimy Dallana Camargo Camargo
ydcamargoc@unal.edu.co
(+57) 313 210 3307