La materia oscura, el enigma invisible favorito del universo, se describe generalmente como una sustancia que solo responde a la gravedad. Pero los científicos, nunca contentos con una historia simple, ahora exploran una posibilidad más compleja: las partículas de materia oscura podrían interactuar también a través de una fuerza oculta propia. Un nuevo estudio en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) examinó qué sucedería si la materia oscura experimentara una fuerza atractiva adicional. Los resultados fueron sorprendentemente contraintuitivos: aunque la fuerza hace que la materia oscura se agrupe más eficientemente, generalmente no acelera el crecimiento de la estructura cósmica. En cambio, tiende a frenar ese crecimiento.

¿Por qué los científicos consideran una 'fuerza oscura'? Porque las observaciones de alta precisión del Universo han producido resultados que no siempre coinciden perfectamente. Las mediciones de la expansión cósmica y el desarrollo de galaxias y otras grandes estructuras a veces parecen contar historias ligeramente diferentes. Algunas observaciones del Universo lejano sugieren que la expansión podría haber procedido algo más lentamente en el pasado de lo que predice el modelo cosmológico estándar. Mientras tanto, los estudios del fondo cósmico de microondas han sugerido durante mucho tiempo que la materia podría estar más densamente agrupada en las escalas más grandes del Universo de lo esperado. Estas diferencias son relativamente pequeñas, pero han animado a los científicos a preguntarse si el modelo estándar de cosmología podría estar perdiendo un ingrediente importante.

Una posibilidad es que las partículas de materia oscura sientan una fuerza extra que la materia ordinaria no puede detectar. Debido a que la interacción operaría solo dentro del sector de la materia oscura, los investigadores la denominan 'fuerza oscura'. Tal interacción podría afectar potencialmente tanto a la expansión del Universo como a la formación de galaxias y estructuras cósmicas más grandes. 'Lo que realmente sabemos sobre la materia oscura hasta ahora se ha aprendido solo a través de sus efectos gravitacionales', dice Zachary Weiner, investigador del Perimeter Institute for Theoretical Physics y autor correspondiente del estudio. 'Eso deja abierta la posibilidad de que la materia oscura pueda tener interacciones adicionales que están ocultas para la materia ordinaria'.

El equipo de investigación investigó un grupo de modelos teóricos en los que las partículas de materia oscura interactúan a través de una fuerza de largo alcance además de la gravedad. Usando cálculos teóricos junto con datos cosmológicos, los científicos estudiaron cómo esta interacción oculta influiría en la historia de la expansión cósmica y el crecimiento de la estructura a gran escala. Al principio, el resultado esperado parece sencillo: si las partículas de materia oscura se atraen entre sí a través de otra fuerza, deberían ensamblarse en grumos más rápidamente. Esa agrupación más fuerte también podría parecer explicar las observaciones que sugieren que el Universo contiene estructuras más densas de lo predicho. 'Lo primero que esperarías es que dar a la materia oscura una fuerza atractiva adicional haga que las estructuras crezcan más rápido', dice Weiner. 'Pero otro efecto entra en juego al mismo tiempo'.

En los modelos examinados por los investigadores, la fuerza extra hace que la materia oscura se agrupe más efectivamente. Sin embargo, también cambia cómo se comporta la materia oscura a medida que el Universo se expande. El mismo proceso hace que las partículas de materia oscura pierdan masa efectivamente con el tiempo. Esta reducción debilita su influencia gravitacional, compensando la atracción más fuerte producida por la fuerza oculta. Como resultado, la agrupación mejorada no crea una huella gravitacional más fuerte en el fondo cósmico de microondas. En la mayoría de los casos, el efecto combinado suprime realmente el crecimiento de la estructura cósmica.

Los hallazgos podrían ser importantes para teorías que van más allá de la materia oscura sola. Algunas explicaciones propuestas para mediciones recientes del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI) involucran interacciones similares entre partículas de materia oscura. Según los investigadores, el mecanismo recién identificado es probable que influya en muchos de esos modelos más complicados.