Un nuevo “GPS cósmico” dibuja el mapa invisible más preciso jamás logrado del universo, gracias al Instituto de Astrofísica de Andalucía

Un modelo teórico desarrollado en España por el IAA-CSIC ha sido sometido a algunas de las simulaciones cosmológicas más exigentes del mundo. ¿Qué cambia cuando la estructura del universo se recalcula con un nuevo criterio físico?

Publicado por Eugenio M. Fernández Aguilar

Físico, escritor y divulgador científico

Ilustración conceptual inspirada en las simulaciones cosmológicas Uchuu y en el modelo teórico GPS+. La imagen es una recreación artística que representa distintas escalas de la estructura del universo y no corresponde a una visualización directa de datos reales. Fuente: ChatGPT

El universo visible —galaxias, estrellas, nebulosas— es solo una parte de la historia. La mayor parte de la materia no emite luz y no puede observarse directamente, pero su gravedad organiza el cosmos a gran escala. Esa materia oscura actúa como el esqueleto sobre el que se forman galaxias y cúmulos, determinando qué estructuras nacen, cómo crecen y cómo se distribuyen a lo largo del tiempo.

Para comprender esa arquitectura invisible, los cosmólogos utilizan una herramienta matemática conocida como función de masa de halos, que describe cuántos halos de materia oscura existen según su tamaño y en qué momento de la historia cósmica. Un nuevo trabajo científico publicado en Astronomy & Astrophysics propone una reformulación teórica de esta herramienta y la contrasta con algunas de las simulaciones más ambiciosas jamás realizadas.

El problema de contar lo invisible

Los halos de materia oscura son concentraciones de masa que envuelven galaxias individuales o grandes cúmulos. No pueden verse, pero su influencia gravitatoria es medible. Saber cuántos existen y cómo se distribuyen en masa y tiempo es esencial para poner a prueba el modelo cosmológico actual, que describe un universo dominado por materia y energía oscuras.

Desde los años setenta, distintos modelos han intentado predecir esa abundancia. El formalismo de Press–Schechter fue el punto de partida teórico, posteriormente refinado mediante aproximaciones más complejas y calibraciones con simulaciones numéricas. Sin embargo, como reconocen los autores del nuevo estudio, “ningún modelo actual proporciona una descripción autoconsistente de la HMF a lo largo de toda la jerarquía de masas de halos y la historia cósmica completa”. Esa limitación es especialmente crítica cuando se intenta extrapolar hacia el universo primitivo.

El desafío no es menor. Un modelo útil debe funcionar desde halos diminutos hasta los más masivos, y desde el presente hasta épocas muy tempranas, cuando el cosmos tenía apenas unos cientos de millones de años. Lograr coherencia en todo ese rango ha sido uno de los principales obstáculos teóricos.

Porción del universo generada con la simulación Uchuu que muestra la distribución de galaxias y cuásares observados por DESI, codificados por colores según su tipo. El recuadro amplía la región más cercana, donde se aprecia la red cósmica. La imagen representa menos del 0,1 % del volumen total cartografiado en tres años de observaciones. Créditos: E. Fernández-García et al. (2025).

Un marco teórico sin dependencia explícita del tiempo

El nuevo modelo, denominado GPS+, se construye sobre una versión generalizada del esquema clásico, pero introduce una modificación clave en el criterio de colapso gravitatorio. Según el artículo, “presentamos un nuevo marco teórico para la función de masa de halos (HMF) que predice con precisión la abundancia de halos de materia oscura en un rango excepcionalmente amplio de masas y desplazamientos al rojo”. La expresión “desplazamientos al rojo” se refiere a la distancia y, por tanto, al momento en la historia del universo.

Una de sus características centrales es que la función depende principalmente de la varianza del campo de densidad lineal y no incorpora una dependencia explícita con el tiempo cósmico. En palabras del propio trabajo, el modelo muestra “una débil dependencia explícita con la masa y ninguna dependencia explícita con el desplazamiento al rojo”. Esto significa que la evolución temporal se introduce de forma natural a través de la física del crecimiento de estructuras, sin necesidad de ajustar el modelo para cada época.

El marco incorpora la física del colapso triaxial, es decir, reconoce que las estructuras no se forman como esferas perfectas. Esa corrección modifica el criterio que decide cuándo una región de materia colapsa para formar un halo. El resultado es un formalismo más fiel a la dinámica real del universo, pero que mantiene la estructura conceptual del modelo clásico.

Además, solo dos parámetros libres han sido ajustados a las simulaciones, y sus valores se mantienen próximos a lo esperado teóricamente. Esto refuerza la idea de que el modelo no es simplemente un ajuste empírico, sino una construcción basada en principios físicos.

La prueba definitiva: simular universos enteros

Para comprobar si el modelo funciona, el equipo lo comparó con la suite de simulaciones Uchuu, una de las más extensas realizadas hasta la fecha. Estas simulaciones combinan grandes volúmenes cósmicos con alta resolución en masa, lo que permite medir la función de masa en un rango extraordinariamente amplio.

El artículo señala que las simulaciones permiten medir la HMF entre 6.5 ≤ log(M) ≤ 16 y en un intervalo 0 ≤ z ≤ 20, lo que cubre prácticamente toda la historia del universo observable. Ese rango incluye desde halos pequeños asociados a galaxias enanas hasta los cúmulos más masivos conocidos.

La comparación cuantitativa es el núcleo del estudio. “A lo largo de todo este dominio, encontramos que GPS+ coincide con las simulaciones dentro de un 10–20%”, escriben los autores. Esa cifra es especialmente relevante en los extremos, donde otros modelos presentan desviaciones mucho mayores.

Representación visual de la diferencia de volúmenes de cada simulación usada en el trabajo. La diferencia de volúmenes de cada cilindro representa la diferencia de volúmenes de las cajas simuladas usadas. Créditos: Elena Fernández (IAA-CSIC).

Cuando se compara con el modelo de Sheth–Tormen, ampliamente utilizado, las diferencias se acentúan en el universo temprano. Según el artículo, a altos desplazamientos al rojo ese modelo “puede desviarse en un 70–80%, mientras que GPS+ permanece dentro de ∼20%”. Es aquí donde se encuentra la aportación central del trabajo: una mejora sustancial en la capacidad predictiva cuando se exploran épocas muy tempranas.

La importancia de cómo se define un halo

Otro aspecto crucial analizado en el estudio es la definición de masa utilizada para los halos. El trabajo muestra que emplear la definición M200m —basada en una densidad fija respecto al fondo cósmico— conduce a una función casi universal, con escasa variación temporal.

Comparación entre los datos de simulación y las predicciones del modelo GPS+ en distintos periodos de la historia del universo. Fuente: Astronomy & Astrophysics

En cambio, usar la masa virial tradicional introduce discrepancias notables en ciertas condiciones. La elección de la definición no es un detalle técnico menor, sino un factor que puede alterar la aparente universalidad del resultado. El análisis sugiere que la definición M200m ofrece una coherencia mayor con el formalismo propuesto.

Esta conclusión tiene implicaciones prácticas para los grandes cartografiados del cielo actuales, como DESI, y para observaciones profundas con telescopios como el James Webb. Interpretar correctamente los datos depende de contar con un marco teórico sólido que conecte observaciones y simulaciones.

Un mapa más fiable para explorar el cosmos

La relevancia del modelo no se limita al cálculo matemático. Una función de masa más precisa permite traducir mejor las observaciones de galaxias y cúmulos en información sobre la física fundamental del universo. La distribución de halos está vinculada a la naturaleza de la materia oscura y a la dinámica de la expansión cósmica.

El propio estudio subraya que su formalismo está “completamente derivado a partir de primeros principios”. Esa afirmación marca una diferencia respecto a otros enfoques más dependientes de ajustes empíricos. La combinación de fundamento teórico y validación numérica refuerza su solidez.

En conjunto, el trabajo liderado desde el Instituto de Astrofísica de Andalucía amplía el rango en el que es posible describir con coherencia la estructura invisible del cosmos. No se trata solo de un refinamiento técnico: supone disponer de un mapa matemático más fiable para explorar 13.800 millones de años de historia cósmica.