Las galaxias espirales desafían la materia oscura

Stacy McGaugh de Case Western Reserve University en los Estados Unidos y sus colegas han identificado una falla en el escenario estándar de materia oscura ? Es demasiado temprano para decirlo. Lo que es seguro es que el comportamiento de la materia oscura en las galaxias espirales parece mucho más sutil de lo que se pensaba anteriormente.

Ironía de la historia, fue a través del estudio de estas mismas galaxias espirales que surgió la idea de la materia oscura a fines de la década de 1960. En ese momento, la astrónoma Vera Rubin, luego en el Instituto Carnegie en Washington, midió la velocidad de los objetos en varias galaxias espirales al observar el cambio en la longitud de onda de la luz emitida debido al efecto Doppler. Siendo este desplazamiento proporcional a la velocidad de movimiento en comparación con el observador, Vera Rubin pudo establecer el perfil de velocidad de varias galaxias. Ha demostrado que la velocidad se vuelve constante a cierta distancia del centro galáctico, en lugar de disminuir de acuerdo con la raíz cuadrada de la distancia de acuerdo con las leyes de gravitación de Newton. Las estrellas en las afueras de las galaxias espirales giran demasiado rápido y deberían haber sido expulsadas. Sin embargo, la velocidad de rotación de las estrellas está determinada por la cantidad de material contenido en la galaxia. La masa observada directamente (las estrellas y el gas, o material bariónico) no parecía corresponder a la masa deducida de la dinámica.

Para resolver este problema, los cosmólogos, incluido James Peebles de la Universidad de Princeton, plantearon en la década de 1970 que un vasto halo de materia invisible que no interactuaba con la materia ordinaria incluía galaxias y contribuía a la mayor parte de su masa y, por lo tanto, a su campo gravitacional. La materia oscura se ha convertido en una parte esencial de la cosmología. Representando alrededor del 80% del material del Universo, explica la dinámica de las galaxias espirales, pero también el movimiento demasiado rápido de las galaxias dentro de los cúmulos de las galaxias, una anomalía reportada en la década de 1930 por el astrónomo Fritz Zwicky. También interviene en ciertos fenómenos de lente gravitacional y en la interpretación de anisotropías del fondo cósmico de microondas. Problema: su naturaleza aún es desconocida…

El enfoque de Stacy McGaugh y sus colegas para estudiar la dinámica de las galaxias es cercano al de Vera Rubin. Los tres investigadores crearon el catálogo SPARC ( Fotometría Spitzer y curvas rotaton precisas ) combinando datos del telescopio espacial Spitzer sobre la distribución de luz infrarroja con datos sobre el campo de gas. Establecieron el perfil de velocidad del gas interestelar para 153 galaxias de alrededor de 20 puntos por galaxia, y calcularon la aceleración centrípeta (dirigida al centro y dependiente de la masa total). También identificaron toda la materia bariónica a partir de la luz emitida en el infrarrojo y luego calcularon la aceleración centrípeta correspondiente al material bariónico solo. Esta es la novedad de su trabajo, porque la relación masa-luz es más confiable en infrarrojo que en lo visible, y esta es la primera vez que la aceleración centrípeta del gas observado se compara con la aceleración centrípeta calculada a partir del censo de materia bariónica para un número tan grande de galaxias. Un estudio similar fue realizado en 2011 por Gianfranco Gentile, de la Universidad de Gante, en Bélgica, y Benoît Famaey, del observatorio de Estrasburgo, pero en solo 12 galaxias.

El estudio de Stacy McGaugh y sus colegas confirma el resultado de Vera Rubin: la materia bariónica por sí sola no es suficiente para explicar la aceleración centrípeta observada y, por lo tanto, el perfil de velocidad. La hipótesis de la materia oscura, por lo tanto, parece reforzarse.

Pero el aspecto más interesante de este estudio es la comparación de la aceleración centrípeta observada con la calculada a partir del material bariónico. Cabe señalar que la muestra de galaxias estudiadas es muy heterogénea: hay galaxias grandes, así como galaxias enanas, galaxias con un bulbo y galaxias que carecen de ella, galaxias donde las estrellas son más numerosas que el gas y viceversa. Y, sin embargo, la misma relación simple parece vincular la aceleración observada y la deducida de las estrellas y el gas. Y esta relación sigue siendo válida incluso si la cantidad de materia oscura requerida para explicar la dinámica de ciertas galaxias es importante. La contribución de la materia oscura parece estar completamente especificada por la de la materia bariónica. Un resultado completamente contradictorio, ya que no se supone que la materia oscura y la materia bariónica interactúen y, por lo tanto, su distribución no debe correlacionarse a priori.

Qué concluir ? Stacy McGaugh y sus colegas sugieren tres hipótesis, pero siguen siendo cautelosas en esta etapa. La primera pista se refiere a la formación de galaxias. Los modelos actuales para la formación de galaxias, incluida la materia oscura, no dan galaxias realistas y deben invocar mecanismos de «retroacción» antinaturales. ¿Esta observación da una indicación de un ingrediente faltante en el proceso de formación de galaxias? ? Otra vía es que la materia oscura podría, en cierto modo, interactuar con la materia bariónica. Ya hay modelos, motivados por varios argumentos, en los que interactúan la materia oscura y la materia bariónica.

Finalmente, La última solución planteada por Stacy McGaugh y sus colegas supone que la materia oscura no es necesaria y que una modificación de las leyes de Newton en un régimen donde las aceleraciones son muy débiles, como es el caso en los márgenes de las galaxias, es suficiente para conciliar la aceleración deducida del material bariónico con las observaciones. Esta idea está en el corazón de la teoría MOND (Dinámica newtoniana modificada por la MO) , propuesta en 1983 por Mordehai Milgrom, del Instituto Weizmann, en Israel. En este caso, ya no habría un problema de correlación entre la materia ordinaria y la oscura. Sin embargo, si MOND es la solución para explicar que las curvas de velocidad de las galaxias y la materia oscura no existen, queda por explicar todas las demás situaciones en las que la materia oscura proporciona una explicación efectiva.

Al final, este nuevo estudio no necesariamente pone en tela de juicio la existencia de la materia oscura, sino que plantea nuevas limitaciones en la dinámica de las galaxias, que un modelo realista de materia oscura tendrá que explicar.

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