Investigadoras de la Universidad de La Laguna estudian las galaxias enanas, las más pequeñas y abundantes del cosmos, que están poniendo en cuestión algunas ideas clave sobre cómo funciona el Universo.
El proyecto, financiado por la AEI, recrea nuestro vecindario galáctico mediante simulaciones avanzadas para descubrir el papel oculto de los agujeros negros en estas diminutas galaxias.
Durante décadas, la Astrofísica ha confiado en que el modelo estándar del Universo explicaba con bastante precisión cómo se forman y evolucionan las galaxias. Sin embargo, en los márgenes de ese relato (en los sistemas más pequeños y menos brillantes) han empezado a aparecer grietas difíciles de ignorar. Las galaxias enanas, las más abundantes del cosmos y las más dominadas por materia oscura, están obligando a replantear algunas de las bases sobre las que se sostiene nuestra comprensión del Universo.
Los proyectos de la línea de Generación de Conocimiento y Retos de Investigación y de Consolidación Investigadora están liderados por la astrofísica teórica Arianna Di Cintio, de la Universidad de La Laguna y el Instituto de Astrofísica de Canarias, se sitúa justo en ese punto de fricción. A través de simulaciones cosmológicas de alta resolución del Grupo Local de Galaxias (el considerado como vecindario galáctico de la Vía Láctea, por su cercanía), la investigación analiza cómo procesos hasta ahora poco explorados, como la influencia de agujeros negros en galaxias diminutas, podrían estar detrás de algunas de las discrepancias entre teoría y observación. Una de sus claves es el uso de condiciones iniciales restringidas, que permiten reproducir el entorno cósmico real y comparar directamente los resultados con las observaciones actuales. “No simulamos un universo genérico”, señala la investigadora, “sino uno que se parece mucho al nuestro”.
El proyecto, titulado INGENIO (Investigación numérica de galaxias enanas en nuestro vecindario cósmico), parte de una idea incómoda para la cosmología: si el modelo funciona bien a gran escala, pero falla de forma sistemática en los sistemas más pequeños, como las galaxias enanas, quizá el problema no esté en los datos, sino en los procesos físicos que aún no hemos incorporado correctamente.
Simular lo casi invisible
El objetivo principal del proyecto es reproducir mediante simulaciones numéricas la evolución de galaxias enanas en distintos entornos y estudiar en detalle los dos grandes mecanismos de retroalimentación que actúan en ellas: la retroalimentación estelar y la retroalimentación asociada a los agujeros negros centrales, conocida como AGN (núcleo galáctico activo).
Imagen: Simulación de galaxias con y sin agujero negro (AGN). Autoras: Elena Arjona, Arianna di Cintio. AURIEA Simulation.
Este segundo proceso constituye una de las principales novedades del estudio. Durante años se asumió que las galaxias enanas no podían albergar AGN, ya que se consideraban sistemas demasiado pequeños para sostener agujeros negros capaces de regular su propio crecimiento mediante la inyección de energía en el entorno. Las simulaciones de INGENIO desafían esa idea: muestran que incluso en galaxias enanas aisladas, el agujero negro central puede frenar significativamente el crecimiento galáctico, alterando su evolución.
¿Por qué son importantes las galaxias enanas?
Las galaxias enanas no solo son las más numerosas del Universo, sino también las que concentran una mayor proporción de materia oscura. Comprenderlas resulta clave para poner a prueba el modelo cosmológico estándar. Para ello, el equipo de INGENIO trabaja con simulaciones capaces de recrear un entorno aislado similar al del Grupo Local, una tarea técnicamente compleja que implica manejar escalas de espacio y energía extremas, donde la física teórica desempeña un papel esencial. Nuestro entorno galáctico inmediato abarca un radio de entre dos y tres megapársecs desde nuestra galaxia, la Vía Láctea (un megapársec equivale a unos 3,26 millones de años luz). En ese volumen relativamente “cercano” conviven la Vía Láctea, la galaxia de Andrómeda y más de un centenar de galaxias enanas. Es en este escenario donde las simulaciones permiten contrastar directamente teoría y observación.
Tres preguntas clave para la cosmología
El proyecto articula su investigación en torno a tres grandes objetivos. El primero es comprender el papel real que desempeñan los AGN en galaxias enanas y cómo su presencia puede modificar la formación estelar y la distribución de la materia. Las observaciones recientes han demostrado que las galaxias enanas también pueden tener agujeros negros activos. “Nuestras simulaciones indican que pueden regular la formación de estrellas y alterar de forma significativa la evolución de la galaxia”, explica Di Cintio.
El segundo apunta directamente al corazón del modelo cosmológico estándar: explicar por qué el número observado de galaxias enanas no siempre coincide con las predicciones teóricas, por qué presentan determinadas morfologías y cuál es el perfil de densidad de la materia oscura en estos sistemas de bajo brillo.
El tercer objetivo se centra en uno de los descubrimientos más intrigantes de la última década: las galaxias ultradifusas. Identificadas por primera vez en 2015, estas galaxias son enanas en masa, pero sus estrellas se distribuyen en áreas mucho más extensas, lo que las hace extremadamente tenues y difíciles de detectar. La hipótesis de partida es clara: estas galaxias deberían existir en el Universo local, aunque muchas aún no hayan sido observadas.
Imagen: Galaxia ultradifusa simulada, superimpuestas al HST field. Autor: Arianna di Cintio, Chris Brook, NIHAO Simulations.
Más allá de lo visible: galaxias oscuras
Las simulaciones desarrolladas en el marco del proyecto también se conectan con otro de los grandes retos de la astrofísica teórica: la comprensión de las llamadas dark galaxies. Se trata de regiones ricas en gas, rodeadas por halos de materia oscura, que no han llegado a formar estrellas (que sería lo esperable) y, por tanto, permanecen prácticamente invisibles. Este campo se encuentra todavía en una fase muy temprana. Por primera vez, estos objetos empiezan a estudiarse indirectamente a través del gas, y las simulaciones permiten explorar si su existencia es coherente con los modelos teóricos actuales. En nuestro Grupo Local las simulaciones predicen una docena de galaxias difusas y estiman que podrían existir hasta ocho galaxias oscuras. El equipo investiga también estas últimas, sistemas dominados por gas y materia oscura que prácticamente no han llegado a formar estrellas. “Sabíamos que tenían que existir”, apunta la investigadora, “y ahora empezamos a modelarlas y a compararlas con las primeras observaciones”.
Imagen: Galaxias oscuras. En rosa, la posición de las galaxias oscuras en la simulación del Grupo Local. En verde, galaxias parecidas, pero brillantes. Se puede apreciar que las galaxias oscuras viven en zona de menor densidad. Autor: Guacimara Garcia, Arianna Di Cintio, NIVARIA simulations.
En conjunto, el proyecto sitúa a las galaxias más pequeñas lejos de ser simples actores secundarios, ya que estas estructuras se están revelando como piezas clave para comprender la materia oscura, la formación de galaxias y, en última instancia, el propio modelo del Universo. Las galaxias enanas son el mejor laboratorio para estudiar la materia oscura ya que al tener pocas estrellas, su dinámica está dominada por la materia oscura y permite poner a prueba el modelo de forma más directa.
Foto: La astrofísica de la Universidad de La Laguna, Arianna Di Cintio.
Ciencia básica con impacto a largo plazo
Aunque se trata de investigación fundamental, su impacto va más allá del conocimiento teórico. Las simulaciones cosmológicas requieren grandes capacidades de cálculo, impulsando el desarrollo de superordenadores y tecnologías que luego se aplican en otros campos científicos. “La ciencia básica impulsa cambios inmediatos en muchas áreas, incluso cuando sus aplicaciones aún no son visibles”, subraya Di Cintio, “y es esencial para el desarrollo tecnológico a largo plazo”.
Con una duración de tres años, el proyecto INGENIO se sitúa en la frontera del conocimiento astrofísico, mostrando que entender las galaxias más pequeñas puede ser clave para poner a prueba los límites de nuestro modelo del Universo.
Ciencia con voz de mujer
Este proyecto está liderado por Arianna Di Cintio y desarrolla su trabajo en el marco de un grupo de investigación comprometido con la promoción de la igualdad de oportunidades en la carrera científica. En conjunto, el equipo de trabajo del proyecto INGENIO está compuesto íntegramente por mujeres. Ella impulsa de forma activa iniciativas de divulgación orientadas a fomentar vocaciones científicas entre mujeres, especialmente en etapas formativas tempranas. Ha participado en programas de mentorías y divulgación como “Habla con ellas” (IAC), “Chicas con Ciencia” (ULL) y Supernova Foundation. En este sentido destaca que, el ámbito universitario, y en particular en el máster de Astrofísica de la Universidad de La Laguna, se observa un aumento sostenido de la presencia femenina, con niveles de rendimiento académico equivalentes a los de sus compañeros.
Foto: Grupo de investigación liderado por A. Di Cintio. Autor: Arianna di Cintio.
No obstante, reconoce que persisten desafíos estructurales en las fases posteriores de la carrera investigadora, especialmente en el acceso a posiciones estables y de responsabilidad, donde la conciliación familiar continúa siendo un factor crítico. Medidas como la ampliación de plazos por maternidad en programas de evaluación y acreditación suponen avances relevantes, medidas implementadas ya en la Agencia Estatal de Investigación, si bien existe margen de mejora en el diseño de instrumentos que garanticen una equidad efectiva a lo largo de toda la trayectoria científica.
La investigación ha sido financiada por la Agencia Estatal de Investigación y está cofinanciada con fondos europeos.