La materia oscura tiene una presencia extraña en la cosmología moderna: resulta imprescindible para explicar cómo se forman las galaxias y la red cósmica, pero casi todo lo que sabemos de ella procede de sus efectos gravitatorios. No sabemos qué partículas la componen, ni siquiera si puede describirse mediante una sola clase de partículas. Tampoco hay una razón experimental que obligue a pensar que la gravedad sea la única interacción que actúa dentro del sector oscuro.

Esa posibilidad ha cobrado interés con la creciente precisión de las observaciones cosmológicas. Algunas mediciones del fondo cósmico de microondas y de la estructura del universo tardío muestran pequeñas tensiones con las predicciones del modelo cosmológico estándar, ΛCDM. Una de las hipótesis exploradas consiste en introducir una interacción adicional entre las partículas de materia oscura, una especie de quinta fuerza que permanecería oculta para la materia ordinaria. Marco Costa, Cyril Creque-Sarbinowski, Olivier Simon y Zachary J. Weiner han estudiado qué consecuencias tendría una de las versiones más sencillas de este escenario. 

Una fuerza que solo actuaría en el sector oscuro

En el modelo analizado, las partículas de materia oscura experimentan una fuerza atractiva de largo alcance mediada por un campo escalar. Puede pensarse, de forma aproximada, como una interacción adicional a la gravedad: dos partículas oscuras se atraerían algo más de lo esperado si únicamente actuara la gravitación. La idea tiene antecedentes en distintos modelos de física del sector oscuro y se ha estudiado, entre otras razones, como posible explicación de ciertas discrepancias cosmológicas. 

A primera vista, el efecto parece sencillo. Si la materia oscura constituye buena parte del armazón gravitatorio sobre el que crecen las estructuras cósmicas, aumentar la atracción entre sus partículas debería favorecer la formación de regiones cada vez más densas. El contraste de densidad —la diferencia relativa entre una región y la densidad media del universo— crece efectivamente más deprisa en el modelo estudiado. Esa parte de la expectativa inicial es correcta. 

Pero el contraste de densidad no es la única cantidad relevante para lo que observamos. Fenómenos como la lente gravitacional responden a las perturbaciones absolutas de densidad y a los potenciales gravitatorios que producen. La dinámica de la materia oscura y la evolución de su densidad de fondo deben analizarse conjuntamente. Es precisamente ahí donde el comportamiento del modelo empieza a apartarse de la explicación más inmediata.

Más atracción puede acabar produciendo menos estructura observable

El campo escalar que genera la quinta fuerza tiene otra consecuencia: la masa efectiva de las partículas de materia oscura disminuye a medida que evoluciona el universo. Como el número de partículas se conserva, esa pérdida de masa provoca que la densidad media de materia oscura se diluya más rápidamente de lo que lo haría en el modelo cosmológico estándar. 

Los cálculos de Costa y sus colaboradores muestran que, en el modelo mínimo con un mediador escalar sin masa y acoplado linealmente a la materia oscura, ambos efectos se compensan durante la época dominada por la materia. La quinta fuerza incrementa el crecimiento del contraste de densidad, mientras que la disminución más rápida de la densidad de fondo cancela ese aumento cuando se consideran las perturbaciones absolutas que generan gravedad. La cancelación es exacta, en el régimen estudiado y al orden considerado por los autores. 

La figura 1 del paper (arriba) permite ver esta diferencia con especial claridad. El panel izquierdo muestra cómo la fuerza adicional acelera el crecimiento del contraste de densidad. En el derecho, cuando se estudia la perturbación total de densidad, los efectos de la nueva interacción sobre el fondo y sobre las perturbaciones se compensan durante la dominación de la materia. La materia oscura se agrupa más en términos relativos, pero eso no se traduce automáticamente en potenciales gravitatorios más intensos.

El resultado obliga a distinguir dos afirmaciones que parecen equivalentes y no lo son. Una mayor velocidad de crecimiento del contraste de densidad indica que las diferencias relativas entre zonas densas y poco densas aumentan con mayor rapidez. Sin embargo, las lentes gravitacionales dependen de cuánta densidad adicional hay realmente en esas regiones, no solo de cuánto destacan respecto a un fondo que también está cambiando.

El fondo cósmico de microondas cambia todavía más el resultado

La cuestión adquiere otra dimensión cuando el modelo debe enfrentarse a las mediciones del fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación más antigua que podemos observar directamente. Se originó cuando el universo tenía unos 380.000 años y se había enfriado lo suficiente para que la luz pudiera viajar libremente. Sus pequeñas variaciones de temperatura conservan información sobre la distribución de materia y las condiciones físicas del universo en aquella época.

Por eso el CMB funciona como una referencia especialmente precisa para poner a prueba los modelos cosmológicos. Entre otras cantidades, permite determinar la escala angular del horizonte acústico, relacionada con la distancia que pudieron recorrer las ondas de presión en el plasma del universo primitivo antes de que la materia y la radiación se desacoplaran. Los autores encuentran que las anisotropías primarias del CMB son mucho más sensibles a la evolución de la densidad media de materia oscura que al crecimiento adicional de sus perturbaciones.

Para mantener fija la distancia angular inferida a la superficie de última dispersión cuando se introduce esta fuerza oscura, el modelo necesita modificar también la historia de expansión. En concreto, requiere una densidad de energía oscura considerablemente mayor. Esa modificación adelanta la influencia de la energía oscura sobre la expansión cósmica y reduce el crecimiento de las estructuras a tiempos tardíos. 

El resultado final es más llamativo que la cancelación anterior. Una vez calibrado el modelo con las principales restricciones del CMB, la quinta fuerza estudiada termina suprimiendo el crecimiento observable de la estructura respecto a ΛCDM. En los cálculos de los autores, la reducción comienza a ser importante a bajo desplazamiento al rojo y afecta precisamente a observables vinculados con las lentes gravitacionales. 

Esto también limita una de las motivaciones originales para introducir una fuerza de este tipo. Algunas mediciones de lente gravitacional del CMB apuntan hacia una amplitud de estructura algo mayor que la predicha por ΛCDM. El modelo mínimo analizado va en la dirección contraria en las escalas donde ese exceso resulta más relevante, por lo que los autores concluyen que constituye un mal candidato para explicar esa anomalía. 

Lo que el modelo permite —y lo que todavía no dice—

El trabajo no demuestra que exista una quinta fuerza en la materia oscura. Tampoco descarta todas las posibles interacciones ocultas. Su conclusión afecta a una familia concreta de modelos, especialmente al caso sencillo de una fuerza de largo alcance mediada por un campo escalar ligero o sin masa y acoplado de determinada manera a la materia oscura.

Los propios autores exploran variantes en las que el mediador posee masa o potenciales diferentes. Los mediadores masivos tampoco resuelven fácilmente el problema: cuando empiezan a oscilar pueden comportarse como una componente de materia que contribuye a la expansión pero apenas participa en el agrupamiento, lo que puede reforzar todavía más la supresión de estructura. 

Existen, sin embargo, construcciones menos mínimas capaces de cambiar el panorama. El paper muestra como prueba de existencia que ciertos potenciales más pronunciados para el campo mediador pueden producir regímenes donde las lentes gravitacionales sí aumentan. Eso implica añadir más física al modelo y abre un espacio de posibilidades que todavía requiere un estudio específico, especialmente porque el trabajo actual se limita en gran medida al régimen lineal de formación de estructuras. 

Hay además una dificultad pendiente que los autores consideran importante. En escalas pequeñas, la evolución de la materia entra en el régimen no lineal, donde galaxias y halos desarrollan estructuras complejas. Los modelos cosmológicos habituales disponen de herramientas para describir esos efectos, pero todavía falta una formulación equivalente que incorpore coherentemente esta fuerza adicional. Sin esa pieza, las predicciones para algunas escalas de lente gravitacional no pueden considerarse definitivas.

Una advertencia sobre cómo interpretar una quinta fuerza

El interés del resultado está también en la lección física que deja. Pensar en una nueva interacción únicamente como una fuerza que desvía las trayectorias de las partículas puede ser insuficiente en un contexto relativista. El mismo campo que modifica la atracción entre las partículas altera también sus masas efectivas, la densidad media del universo y, finalmente, su historia de expansión. Todo ello acaba interviniendo en las cantidades que realmente medimos. 

Esta relación explica por qué una interacción atractiva puede producir un resultado aparentemente contrario a lo esperado. El crecimiento del contraste de densidad y el crecimiento de la estructura observable son conceptos relacionados, pero no intercambiables. Las lentes gravitacionales responden al campo gravitatorio generado por las perturbaciones absolutas de densidad, y una materia oscura que se vuelve progresivamente menos densa puede compensar el efecto de una atracción adicional entre sus partículas.

Buscar fuerzas ocultas en el sector oscuro sigue siendo una vía legítima para estudiar la naturaleza de la materia oscura. Este trabajo introduce, sin embargo, una condición importante: cualquier propuesta debe explicar simultáneamente qué hace la nueva interacción a las perturbaciones y qué hace al universo de fondo. En cosmología, ambas evoluciones forman parte del mismo problema.