Astrónomos descubren cómo medir la velocidad de la materia oscura
Las galaxias asimétricas arrojan luz sobre la velocidad de la materia oscura.
Por la Universidad de Tartu
Galaxia irregular NGC 1427A. Foto: NASA/ESA
Uno de los grandes retos de la cosmología está en cómo puede medirse la velocidad de la materia oscura. El requisito previo es encontrar una galaxia en el universo que se mueva en relación con la materia oscura. Como todo en el cosmos está en movimiento y hay una gran cantidad de materia oscura, no es difícil encontrar galaxias que cumplan con este requisito.
Los objetos pesados, como las galaxias, atraen todo tipo de materia, ya sea la materia oscura o la materia visible que encontramos a diario. Cuando la materia oscura pasa junto a una galaxia, esta empieza a atraer hacia sí las partículas de materia oscura. Sin embargo, el cambio de dirección de la velocidad de las partículas lleva su tiempo. Antes de que su trayectoria se curve hacia la galaxia, ya consiguen rebasarla.
Un freno para la galaxia.
Así, las partículas de materia oscura no entran en la galaxia, sino que se desplazan detrás de ella (ver vídeo). Por tanto, en esta zona de la galaxia aumenta la densidad de materia, lo que provoca una ralentización de la galaxia, un fenómeno denominado fricción dinámica.
La fuerza de la fricción dinámica depende, a su vez, de la rapidez con la que las partículas de materia oscura pasan por la galaxia, es decir, del tiempo que tiene la galaxia para cambiar la trayectoria de las partículas de materia oscura. Cuando las partículas pasan lentamente, la densidad de la materia aumenta más cerca de la galaxia, lo que provoca una mayor ralentización.
El punto verde representa una galaxia, y los paneles superiores muestran el movimiento de las partículas de materia oscura más allá de la galaxia (si existe una galaxia en el panel correspondiente). Los paneles inferiores muestran la forma de todas las trayectorias, y demuestra que el campo gravitatorio de una galaxia afecta a las partículas de materia, lo que genera una sobredensidad detrás de la galaxia. De nuevo, la sobredensidad frena la galaxia y distorsiona su forma.
Supongamos que la galaxia que causa la fricción dinámica no es pequeña, sino enorme. En este caso, la sobredensidad detrás de ella genera fricción de diferentes fuerzas en diferentes puntos de la galaxia, como se ve en la imagen inferior. La diferencia en la fricción hace que la forma de la galaxia sea más desequilibrada. Experimentamos un cambio de forma similar en la Tierra a los ciclos de las mareas: mareas altas y mareas bajas causadas por la gravedad de la Luna.
Resuklta irrelevante el tamaño de las partículas de materia oscura: su órbita todavía se curva detrás de la galaxia. Es posible que el método no produzca resultados precisos si las partículas fueran comparables en tamaño a las propias galaxias. Sin embargo, estos modelos de materia oscura ya están excluidos.
Fricción dinámica. Los paneles representan áreas dispersas del universo con colores oscuros y áreas densas con colores claros. Es irrelevante el tamaño de las partículas de materia oscura: su órbita todavía se curva detrás de la galaxia. Es posible que el método no produzca resultados precisos si las partículas fueran comparables en tamaño a las propias galaxias. Sin embargo, estos modelos de materia oscura ya están excluidos. Los paneles superiores muestran la densidad alrededor de una galaxia si la gravedad de ésta curva (izquierda) o no curva (derecha) las trayectorias de las partículas de materia oscura. El panel inferior muestra la diferencia entre ambas, o cómo afecta la galaxia a la distribución de la materia oscura. Las flechas representan la aceleración causada por la sobredensidad detrás de la galaxia, de la que se deduce la fricción en el centro de la galaxia. Como las flechas tienen diferentes direcciones e intensidades en distintas zonas, las fuerzas de marea son capaces de cambiar la forma de una galaxia. Foto: Rain Kipper
Encontrar las galaxias asimétricas no es difícil, ya que representan alrededor del 30%de todas las galaxias del espacio exterior. Por supuesto, depende mucho de hasta dónde se mire en las partes exteriores de una galaxia y de qué nivel de asimetría se considere para que una galaxia se catalogue como tal.
Asimetrías galácticas ocasionadas por colisiones y por entradas constantes de gas.
Además, la forma asimétrica de una galaxia puede no deberse únicamente a la fricción dinámica. Existen otras razones para ello. Por ejemplo, las galaxias que se formaron tras la colisión de varias galaxias pueden ser asimétricas. En este caso, sin embargo, deberíamos poder detectar en algún lugar del interior de la galaxia el núcleo de otra galaxia o un halo estelar mayor. La asimetría galáctica también puede deberse a una entrada constante de gas. En tales situaciones, la forma de la galaxia tardará unos miles de millones de años en recuperarse.
Así pues, para medir las velocidades de la materia oscura, lo astrónomos necesitan una galaxia ladeada que esté lo más aislada posible de otras galaxias. En este caso, es más seguro que no le haya ocurrido nada más que el paso de la materia oscura.
En esta investigación, los científicos han hallado cómo calcular con precisión las fuerzas que afectan a las galaxias en los ciclos de marea. La próxima etapa consiste en encontrar galaxias lo suficientemente inclinadas en el universo para estudiar la velocidad de la materia oscura en relación con las galaxias.
La cosmología es un importante polígono de pruebas de la física teórica. Calcular la velocidad de la materia oscura puede ser importante para probar nuevos modelos de materia oscura y correr el velo que no nos deja ver su naturaleza.
Información facilitada por el Estonian Research Council
Fuente: Rain Kipper, Peeter Tenjes, María Benito, Punyakoti Ganeshaiah Veena, Aikaterini Niovi Triantafyllaki, Indrek Vurm, Moorits Mihkel Muru, Maret Einasto and Elmo Tempel. Back to the present: A general treatment for the tidal field from the wake of dynamical friction. Astronomy & Astrophysics (2023). DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347235
