Galaxias enanas y lienzo cósmico

A veces, presentar su trabajo de investigación a otros especialistas en su campo puede ser difícil … «Cualquier cosa ! Mierda ! Disparates ! Pavel Kroupa, astrofísico de la Universidad de Bonn, Alemania, exclamó mientras estaba en el escenario del anfiteatro. Este tipo de situación es aún más difícil de manejar cuando eres estudiante de tesis y candidato para un puesto de investigador postdoctoral. Vine a Bonn para exhibir en 45 minutos mi trabajo en las pequeñas galaxias satélite que rodean la Vía Láctea. Había ayudado a desarrollar una teoría que explicara por qué estos misteriosos objetos se encuentran en lo que aparece como una línea recta que cruza el cielo, una alineación inesperada y muy curiosa. P. Kroupa, obviamente, no estaba convencido por mis argumentos.

La mayoría de las galaxias similares a la Vía Láctea estarían rodeadas de docenas de pequeñas galaxias satélite que las orbitan. Estas galaxias son extremadamente pálidas y difíciles de observar. Solo los más brillantes y cercanos se detectaron alrededor de la Vía Láctea y alrededor de su vecino, la galaxia de Andrómeda. Pero estas galaxias satélite enanas no evolucionan en órbitas aleatorias. Por el contrario, todos están en el mismo plano, que vemos por la rebanada.

Esta alineación es inesperada. Las simulaciones por computadora de la evolución de las galaxias predicen que las galaxias satélite se distribuyen esféricamente alrededor de la galaxia central. Durante mucho tiempo se pensó que tal disposición era el resultado de la distribución esférica, alrededor de la galaxia, de la materia oscura. Se supone que esta sustancia hipotética, que interactúa con la materia ordinaria solo por la fuerza gravitacional, es omnipresente en el Universo y desempeñaría un papel clave en la formación de galaxias y la expansión del cosmos.

Sin embargo, el enigma de la alineación de las galaxias enanas es tal que ha llevado a algunos astrónomos, incluido P. Kroupa, a desafiar la existencia misma de la materia oscura. «La idea de la materia oscura está bajo control», dijo, interrumpiendo mi presentación, «ya que la distribución esférica de satélites alrededor de la Vía Láctea, una predicción deducida de esta idea, está claramente en contradicción con lo que observamos. «

Expuse una visión diferente basada en la materia oscura. Explicé la alineación muy particular de los satélites galácticos invocando estructuras cósmicas de materia oscura que se extenderían mucho más allá de las inmediaciones de la Vía Láctea. Aunque algunos, como P. Kroupa, son escépticos y no se adhieren a esta explicación, el trabajo reciente, y en particular el mío, muestra que la existencia de una red de grandes filamentos de materia oscura explicaría las sorprendentes galaxias satélite de alineación en el cielo .

La existencia de materia oscura en el centro de este debate se postuló por primera vez para explicar otras características asombrosas de las galaxias. En la década de 1930, el astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky quería «pesar» el montón del cabello de Berenice, que reúne a mil galaxias. Comenzó midiendo la velocidad de las galaxias en el cúmulo. Para su sorpresa, encontró grandes velocidades: miles de kilómetros por segundo, suficientes para que el cúmulo se desmoronara. Sin embargo, la masa visible del cúmulo no pudo garantizar la cohesión del todo por su fuerza gravitacional. Zwicky concluyó que el grupo debe llenarse con un material invisible que contribuya a la fuerza gravitacional. Esta sustancia faltante se ha llamado desde entonces «materia negra».

Material perdido

En las décadas siguientes, los astrónomos encontraron indicios de la presencia de materia oscura en todo el Universo, en casi todas las galaxias observadas. En la Vía Láctea, se ha estudiado el movimiento de estrellas en las afueras de la galaxia. Al igual que las galaxias del cúmulo Hair of Berenice, estas estrellas se mueven demasiado rápido para ser retenidas por el material que vemos. El mismo tipo de análisis realizado en la docena de galaxias enanas de la Vía Láctea indica que su abundancia en materia oscura sería aún mayor.

La ubicuidad de estos índices reforzó la convicción de que la materia oscura existe. De hecho, la mayoría de los investigadores de cosmología estiman que la materia oscura sería aproximadamente el 80 por ciento de toda la materia en el Universo.

Esta abundancia de materia oscura implica que juega un papel crucial en la forma en que el Universo ha evolucionado y estructurado con el tiempo. Desde la década de 1970, los cosmólogos simularon la historia del Universo a partir de modelos digitales. La idea es simple: la computadora debe representar un volumen imaginario, colocar partículas puntuales imaginarias (que representan trozos de materia oscura) en una red casi perfecta dentro de este volumen, calcule el tirón gravitacional ejercido sobre cada partícula por todos los demás, mueve cada partícula de acuerdo con la gravedad ejercida por los demás, e itera este proceso durante 13 mil millones de años.

Estos enfoques se han enriquecido y adquirido complejidad desde la década de 1970, pero el principio sigue siendo el mismo. Hace 40 años, los programas de computadora solo podían manejar unos pocos cientos de partículas. Hoy, las simulaciones máximas modelan con éxito miles de millones de partículas en un volumen cercano al tamaño del Universo observable.

Las simulaciones numéricas del cosmos fueron muy útiles para estudiar las galaxias de forma aislada, pero revelaron algunos acertijos. Por ejemplo, los modelos de computadora concluyen que la materia oscura del «halo» que rodea la Vía Láctea debería atraer gas y polvo y agregarlos en bultos. Este último debería contraerse bajo el efecto de la gravedad, formando eventualmente estrellas enanas y galaxias. En el caso de la Vía Láctea, la abundancia de materia oscura implica que las galaxias enanas deberían formarse por miles. Y, sin embargo, cuando miras el cielo nocturno, solo ves unas pocas docenas. Este déficit, destacado en la década de 1990, constituye el «problema de las galaxias satélite desaparecidas».

Los astrónomos han avanzado algunas posibles soluciones a este problema. Primera hipótesis: todos los satélites observados en las simulaciones pueden no corresponder realmente a galaxias satélite reales. Los bultos más pequeños de materia oscura pueden no tener suficiente masa (y, por lo tanto, no ejercer una atracción gravitacional lo suficientemente grande) para capturar gas y formar estrellas. Por lo tanto, las galaxias satélite observadas son la parte visible de un iceberg oscuro: cientos, incluso miles, de satélites negros, desprovistos de estrellas, se esconderían en nuestro vecindario. Pero simplemente no los vemos.

Segunda posibilidad: incluso si pequeños trozos de materia oscura crean estrellas, estas estrellas pueden no ser lo suficientemente brillantes como para ser detectadas por telescopios. En este escenario, con los avances en las técnicas y la creciente sensibilidad de los telescopios, los astrónomos esperan encontrar más satélites. Y, de hecho, en los últimos siete años, el número de galaxias satélite identificadas alrededor de la Vía Láctea se ha duplicado.

Además, el disco de la Vía Láctea nos impide ver ciertas galaxias satélite. El disco galáctico es esencialmente un plano denso de estrellas tan brillante que a simple vista, uno tiene la impresión de un fluido blanco continuo (de ahí el adjetivo «leche»). Sería difícil encontrar una posible galaxia satélite ubicada detrás del disco: la luz del disco ahogaría su tenue brillo.

Juntos, estos argumentos han resuelto, en gran medida, el problema de los satélites faltantes para la mayoría de los astrofísicos. La idea de la materia oscura había superado así una de sus objeciones de observación más serias. Pero la alineación particular de las galaxias satélite plantea una dificultad completamente diferente, lo que deja a los investigadores perplejos.

Las galaxias enanas siembran dudas

En varios artículos de finales de los años setenta y principios de los ochenta, Donald Lynden-Bell, astrofísico de la Universidad de Cambridge, en Gran Bretaña, notó que muchas galaxias satélite de la Vía Láctea parecen estar en el mismo plan. Cómo explicar esta extraña distribución ? En 2005, P. Kroupa y su equipo convencieron al mundo de que esta alineación no podía ser aleatoria. Si suponemos que los satélites siguen bien una distribución esférica y que aproximadamente una galaxia enana de cada 100 es lo suficientemente grande y brillante como para ser detectada, ¿Cuál es la probabilidad de que estas galaxias se encuentren por casualidad en el mismo plano alrededor de la Vía Láctea? ? La respuesta creó un terremoto en cosmología: la probabilidad fue inferior a 1: 1,000,000.

Si la materia oscura guiara la formación de galaxias, dijo P. Kroupa, las galaxias enanas nunca se encontrarían en este plan único. La única salida era admitir que las galaxias satélite de la Vía Láctea no se formaron después de la aglomeración de la materia oscura. La materia oscura, dijo, no existe.

P. Kroupa ofreció una alternativa. Sugirió que los satélites eran escombros galácticos, los restos de una antigua galaxia que habría pasado hace mucho tiempo cerca de la Vía Láctea. Justo cuando un asteroide se rompe, dejando una estela de escombros cuando entra en la atmósfera de la Tierra, los satélites de la Vía Láctea pueden haberse originado a partir del material arrancado de una galaxia más grande.

Para apoyar su hipótesis, P. Kroupa se basó en ciertas observaciones de galaxias colisionantes. Muchos en el Universo, tienen largos puentes de materia, los «brazos de marea». A menudo, los brazos de marea contienen pequeñas galaxias enanas que se condensan por el flujo de materia. En las condiciones adecuadas, la naturaleza del desgarro garantiza que el material arrancado terminará en un plano delgado, como los satélites de la Vía Láctea.

La explicación de P. Kroupa fue elegante, simple y, sobre todo… controvertido. Fue rápidamente desafiado. En primer lugar, las estrellas de los satélites de la Vía Láctea se mueven demasiado rápido para garantizar su cohesión solo con la materia ordinaria. Debe haber materia oscura para contenerlos, así como asegura la cohesión de la Vía Láctea (de hecho, las observaciones sugieren que las galaxias satélite enanas de la Vía Láctea se encuentran entre las galaxias más ricas en materia oscura del Universo). El escenario de P. Kroupa, donde estas galaxias enanas carecen de materia oscura, no explica por qué mantienen su cohesión (sin embargo, la teoría MOND propone un posible camino).

Luego, así como los automóviles se dañan durante una acumulación, las colisiones entre las galaxias de disco destruyen su estructura. El resultado de una colisión galáctica es casi siempre una colección de estrellas borrosas y sin forma. Sin embargo, la Vía Láctea tiene una estructura muy clara y un disco bastante delgado. No vemos indicios de que haya sufrido una fusión o colisión en el pasado reciente.

El lienzo cósmico oscuro

Hay otra explicación para la alineación inusual de las galaxias enanas. Esta solución nos obliga a mirar más allá en el cosmos. En las simulaciones por computadora, la primera de las cuales data de la década de 1970, no solo calculamos la evolución de las galaxias individuales. Modelamos enormes volúmenes de universos. Cuando exploramos estas simulaciones en las escalas más grandes, encontramos que las galaxias no se distribuyen al azar. Por el contrario, tienden a concentrarse en una red de filamentos llamada lienzo cósmico. Vemos claramente la estructura planificada cuando escaneamos el cielo con lecturas astronómicas a gran escala.

El lienzo cósmico consiste en materia oscura y magníficos conjuntos de millones de galaxias, que abarcan cientos de millones de años luz. Los filamentos en forma de cigarro conectan estos conjuntos. Entre los filamentos, observamos inmensos vacíos desprovistos de galaxias. Los grandes, como la Vía Láctea, tienden a ubicarse en los nodos del lienzo donde se encuentran varios filamentos.

Cuando era estudiante de doctorado en la Universidad de Durham en Inglaterra, desarrollé simulaciones por computadora de estas regiones densas. Trabajé en particular en un modelo que volvió sobre la formación de la Vía Láctea y su vecindario durante los 13 mil millones de años de su historia cósmica. Cuando traje un rastro de los resultados a mi director de tesis, Carlos Frenk, examinó las cifras por un tiempo, sacudió los papeles y exclamó: «Suelta todo lo demás ! Las galaxias satélite que estás estudiando están ubicadas en el plano imposible de Kroupa ! «

Nuestro modelo no reprodujo las predicciones anteriores de simulaciones por computadora, que se redujeron a un halo de galaxias satélite uniformemente poblado alrededor de la Vía Láctea. Más bien, la computadora predijo la formación de un mapa de satélites que se parecía mucho al observado por los astrónomos. Sentimos que nuestras simulaciones comenzaban a desentrañar el misterio del mecanismo por el cual las galaxias enanas adoptaron una configuración plana.

“¿Por qué no mencionas tus simulaciones con el tiempo para ver de dónde provienen las galaxias enanas? ? «, Me sugirió C. Frenk. Tuvimos el resultado final; ahora era el momento de revisar las etapas intermedias de la simulación.

Invierta el progreso de la simulación, descubrimos que las galaxias enanas no provenían de la región que rodea directamente la Vía Láctea. No se formaron en las proximidades de la galaxia, sino más allá en los filamentos del lienzo cósmico. Estas regiones, más densas que las áreas vacías circundantes, atraen el polvo y el gas vecinos y las amalgaman para formar galaxias emergentes.

Una vez que se forman estas galaxias enanas, la gravedad las atrae a la región vecina más masiva, en nuestro caso la Vía Láctea. Debido a que nuestra galaxia está en un nodo donde se encuentran varios filamentos, las galaxias enanas se mueven a lo largo del filamento que las dio a luz y aceleran en nuestra dirección. En otras palabras, los filamentos de materia oscura sirven como carreteras cósmicas para las galaxias enanas. Cuando miramos al cielo y vemos las galaxias en un plano y yendo en la misma dirección, lo que observamos es, de hecho, solo la circulación galáctica que llega frente a nosotros.

Una nueva prueba

Algunos científicos, como P. Kroupa, siguen siendo escépticos. Los modelos de computadora parecen reproducir las condiciones observadas alrededor de la Vía Láctea con suficiente precisión, pero la teoría general también debería ser capaz de describir la proximidad de otras galaxias.

En enero de 2013, los astrónomos que mapearon los alrededores de nuestra galaxia vecina, la de Andrómeda, encontraron un plano aún más delgado de galaxias satélite enanas: este plan tiene un diámetro de un millón de años luz, con un espesor de solo 40,000 años luz. Este mantel parece rotar exactamente como se esperaba en el escenario de P . Kroupa. Sin embargo, las simulaciones por computadora como la mía aún no han podido reproducir la alineación de las galaxias que vemos alrededor de Andrómeda.

Pero los problemas de la teoría de P. Kroupa persisten: tampoco está de acuerdo con ciertas observaciones. La historia ha demostrado que cuando te encuentras en un punto muerto, las soluciones finales solo vienen con datos adicionales. Como Albert Einstein señaló una vez, “La naturaleza no consideró necesario facilitar el descubrimiento de sus leyes. «

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