Imágenes de los cuásares que sufren el efecto de lente gravitatoria
debido a la fuerza de gravedad de galaxias que se encuentran por delante
de ellos a lo largo de la línea visual. Créditos: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) y T. Treu (UCLA)
Utilizando el telescopio espacial Hubble
de la NASA y una nueva técnica de observación, los astrónomos han
descubierto que la materia oscura forma grupos mucho más pequeños que
los conocidos previamente. Este resultado confirma una de las
predicciones fundamentales de la teoría ampliamente aceptada de "materia
oscura fría".
Todas las galaxias, según esta teoría,
se forman y están incrustadas dentro de las nubes de materia oscura. La
materia oscura en sí misma consiste en partículas de movimiento lento o
"frías" que se unen para formar estructuras que van desde cientos de
miles de veces la masa de la galaxia de la Vía Láctea hasta grupos no
más masivos que el peso de un avión comercial. (En este contexto, "frío"
se refiere a la velocidad de las partículas).
La observación del Hubble arroja nuevos
conocimientos sobre la naturaleza de la materia oscura y cómo se
comporta. "Hicimos una prueba de observación muy convincente para el
modelo de materia oscura fría y la aprobó con gran éxito", dijo Tommaso
Treu, de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), miembro del
equipo de observación.
La materia oscura es una forma invisible
de materia que constituye la mayor parte de la masa del universo y crea
el andamiaje sobre el cual se construyen las galaxias. Aunque los
astrónomos no pueden ver la materia oscura, pueden detectar su presencia
indirectamente midiendo cómo su gravedad afecta a las estrellas y
galaxias. Detectar las formaciones de materia oscura más pequeñas
buscando estrellas incrustadas puede ser difícil o imposible, ya que
contienen muy pocas estrellas.
Si bien se han detectado concentraciones
de materia oscura alrededor de galaxias grandes y medianas, hasta ahora
no se han encontrado grupos mucho más pequeños de materia oscura. Ante
la falta de evidencia observacional para tales grupos a pequeña escala,
algunos investigadores han desarrollado teorías alternativas, incluida
la "materia oscura cálida". Esta idea sugiere que las partículas de
materia oscura se mueven rápidamente, comprimiéndose demasiado rápido
para fusionarse y formar concentraciones más pequeñas. Las nuevas
observaciones no respaldan este escenario, ya que encuentran que la
materia oscura es "más fría" de lo que debería ser en la teoría
alternativa de la materia oscura cálida.
"La materia oscura es más fría de lo que
sabíamos a escalas más pequeñas", dijo Anna Nierenberg del Laboratorio
de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, líder de la
observación del Hubble. "Los astrónomos han llevado a cabo otras pruebas
de observación de las teorías de la materia oscura anteriormente, pero
la nuestra proporciona la evidencia más sólida hasta ahora de la
presencia de pequeños grupos de materia oscura fría. Al combinar las
últimas predicciones teóricas, herramientas estadísticas y nuevas
observaciones del Hubble, ahora tenemos un resultado mucho más robusto
de lo que era posible anteriormente ".
La caza de concentraciones de materia
oscura sin estrellas ha resultado ser un desafío. Sin embargo, el equipo
de investigación del Hubble utilizó una técnica en la que no
necesitaban buscar la influencia gravitacional de las estrellas como
trazadores de materia oscura. El equipo apuntó a ocho "farolas" cósmicas
poderosas y distantes, llamadas cuásares (regiones alrededor de
agujeros negros activos que emiten enormes cantidades de luz). Los
astrónomos midieron cómo la luz emitida por el oxígeno y el gas de neón
que orbitan cada uno de los agujeros negros de los cuásares se deforma
por la gravedad de una galaxia masiva en primer plano, que actúa como
una lente de aumento.
Este gráfico ilustra cómo la luz de un cuásar lejano es alterada por una
galaxia en primer plano masiva y por pequeños grupos de materia oscura a
lo largo del camino de luz. Créditos: NASA, ESA y D. Player (STScI)
Usando
este método, el equipo descubrió grupos de materia oscura a lo largo de
la línea de visión del telescopio hacia los cuásares, así como dentro y
alrededor de las galaxias de lentes interpuestas. Las concentraciones
de materia oscura detectadas por el Hubble son de 1/10.000 a 1/100.000
veces la masa del halo de materia oscura de la Vía Láctea. Es probable
que muchas de estas pequeñas agrupaciones no contengan incluso galaxias
pequeñas y, por lo tanto, hubieran sido imposibles de detectar mediante
el método tradicional de búsqueda de estrellas incrustadas.
Los ocho cuásares y galaxias se
alinearon con tanta precisión que el efecto de deformación, llamado
lente gravitacional, produjo cuatro imágenes distorsionadas de cada
cuásar. Tales imágenes cuádruples de los cuásares son raras debido a la
alineación casi exacta necesaria entre la galaxia de primer plano y el
cuásar de fondo. Sin embargo, los investigadores necesitaban las
múltiples imágenes para realizar un análisis más detallado.
La presencia de los grupos de materia
oscura altera el brillo aparente y la posición de cada imagen de cuásar
distorsionada. Los astrónomos compararon estas mediciones con
predicciones de cómo se verían las imágenes del cuásar sin la influencia
de la materia oscura. Los investigadores utilizaron las mediciones para
calcular las masas de las pequeñas concentraciones de materia oscura.
Para analizar los datos, los investigadores también desarrollaron
elaborados programas informáticos y técnicas intensivas de
reconstrucción.
"Imagine que cada una de estas ocho
galaxias es una lupa gigante", explicó el miembro del equipo Daniel
Gilman de UCLA. "Pequeños grupos de materia oscura actúan como pequeñas
grietas en la lupa, alterando el brillo y la posición de las cuatro
imágenes del cuásar en comparación con lo que cabría esperar si el
vidrio fuera liso".
Los investigadores utilizaron la cámara
de Campo Ancho 3 del Hubble para capturar la luz infrarroja cercana de
cada cuásar y dispersarla en los colores de sus componentes para su
estudio con espectroscopía. Las emisiones únicas de los cuásares de
fondo se ven mejor en luz infrarroja. "Las observaciones del Hubble
desde el espacio nos permiten realizar estas mediciones en sistemas de
galaxias que no serían accesibles con la resolución más baja de los
telescopios terrestres, y la atmósfera de la Tierra es opaca a la luz
infrarroja que necesitábamos observar", explicó el miembro del equipo
Simon Birrer de UCLA
Treu agregó: "Es increíble que después
de casi 30 años operativo, el Hubble esté permitiendo vistas de
vanguardia de la física fundamental y la naturaleza del universo que ni
siquiera soñamos cuando se lanzó el telescopio".
Las lentes gravitacionales se
descubrieron al examinar las observaciones terrestres como Sloan Digital
Sky Survey y Dark Energy Survey, que proporcionan los mapas
tridimensionales más detallados del universo que se hayan hecho hasta
ahora. Los cuásares se encuentran a unos 10 mil millones de años luz de
la Tierra; las galaxias en primer plano, alrededor de 2 mil millones de
años luz.
El número de pequeñas estructuras
detectadas en el estudio ofrece más pistas sobre la naturaleza de la
materia oscura. "Las propiedades de las partículas de la materia oscura
afectan cuántos grupos se forman", explicó Nierenberg. "Eso significa
que puedes aprender sobre la física de partículas de la materia oscura
contando la cantidad de pequeños grupos".
Sin embargo, el tipo de partícula que
forma la materia oscura sigue siendo un misterio. "En la actualidad, no
hay evidencia directa en el laboratorio de que existan partículas de
materia oscura", dijo Birrer. "Los físicos de partículas ni siquiera
hablarían sobre la materia oscura si los cosmólogos no dijeran que está
allí, en base a las observaciones de sus efectos. Cuando los cosmólogos
hablamos sobre la materia oscura, nos preguntamos cómo gobierna la
apariencia del universo, ¿y en qué escalas?"
Los astrónomos podrán realizar estudios
de seguimiento de la materia oscura utilizando futuros telescopios
espaciales de la NASA como el Telescopio Espacial James Webb y el
WFIRST, ambos observatorios infrarrojos. Webb será capaz de obtener
estas mediciones de manera eficiente para todos los quásares con lentes
cuádruples conocidos. La nitidez y el amplio campo de visión de WFIRST
ayudarán a los astrónomos a hacer observaciones de toda la región del
espacio afectada por el inmenso campo gravitacional de galaxias masivas y
cúmulos de galaxias. Esto ayudará a los investigadores a descubrir
muchos más de estos sistemas raros.
Actualizado: 9/1/2020
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