Una de las cosas que me encantan de la astronomía es cómo cambia y evoluciona rápidamente con el tiempo. Todos los días hay nuevos descubrimientos y avances en las teorías que nos hacen avanzar gradualmente en nuestra comprensión del Universo.
Uno de los mejores ejemplos de esto es la materia oscura; misterioso e invisible, pero una parte significativa del Universo y representa la gran mayoría de la masa que existe.
Se teorizó por primera vez hace casi 100 años cuando los astrónomos examinaron la masa total de los cúmulos de galaxias distantes y encontraron que la masa visible que podemos ver debe ser solo una fracción del material total en los cúmulos. Cuando sumas las estrellas y el gas, las galaxias se mueven y rotan de formas que indican que hay un enorme halo de materia invisible a su alrededor.
Algunas de las mejores pruebas provienen de Vera Rubin y Kent Ford en los años 60 y 70, cuando midieron la velocidad de rotación de las galaxias espirales de borde. Estimaron que debe haber aproximadamente 6 veces más materia oscura que materia regular.
Esta imagen del telescopio espacial Hubble de la NASA muestra la distribución de la materia oscura en el centro del cúmulo de galaxias gigantes Abell 1689
La materia oscura se convirtió en un serio misterio en astronomía, y muchos observadores y teóricos han pasado el último medio siglo tratando de averiguar qué es.
Y la materia oscura no ha revelado sus secretos fácilmente. Originalmente, los astrónomos pensaron que en realidad podría no ser una masa invisible, sino un malentendido de cómo funciona la gravedad en las escalas más grandes.
Pero durante las últimas décadas, se han desarrollado técnicas que utilizan la gravedad de la materia oscura para medir cómo desvía la luz de los objetos más distantes. Los astrónomos no saben qué es la materia oscura, pero pueden usarla como telescopio. Eso es impresionante.
Han encontrado características asombrosas en la red de materia oscura, enormes paredes y filamentos que definen las estructuras de mayor escala del Universo. Cúmulos donde la materia oscura y su gas se han separado entre sí.
Recuerde, estamos a la vanguardia de este misterio y usted lo está viendo desarrollarse en tiempo real. Dentro de 25 años, estoy seguro de que recordaremos nuestros pintorescos intentos de comprender la materia oscura.
Una de las preguntas más interesantes que tengo ahora es: ¿podría haber galaxias de materia oscura? ¿Completamente invisible a nuestros ojos, pero capaz de interactuar a través de la gravedad?
Distribución de materia oscura en el supercúmulo Abell 901/902
Por supuesto, en momentos como este, me gusta llamar la atención. Alguien que haya dedicado su vida al estudio de estas cuestiones.
Y hoy, me reuní con Sarah Pearson, una estudiante de posgrado en astronomía en la Universidad de Columbia y presentadora de ' Espacio con Sarah ”. Sarah estudia la formación y las interacciones de las galaxias enanas que rodean la Vía Láctea para comprender cómo las galaxias se acumularon en los primeros tiempos del Universo y forman las grandes galaxias que vemos en la actualidad.
Fraser:Sarah, bienvenida a la Guía del espacio.
Sarah:Hola Fraser, gracias.
Fraser:¿Puedes hablar un poco sobre cómo los astrónomos trazan la distribución de la materia oscura en el Universo?
Sarah:Sí definitivamente. Así que esa es una pregunta difícil, como acaba de explicar, no vemos la materia oscura. Pero una suposición sobre el Universo en el que vivimos es que la materia ligera o la materia bariónica. Por ejemplo, en qué consistimos tú, yo y las estrellas, y también las galaxias, una especie de rastreo de dónde se encuentra la materia oscura.
Entonces, una suposición es que la materia clara sigue a la materia oscura. De esa manera, podemos trazar un mapa a grandes distancias, algo así como las galaxias y los cúmulos de galaxias se encuentran en nuestro Universo. E imaginamos que la estructura de la materia oscura es algo similar.
Simulación de materia oscura. Crédito de la imagen: NASA.
Y también recientemente, las simulaciones de estructuras a muy gran escala de nuestro propio Universo han abordado esto comenzando con una distribución casi uniforme de materia oscura en el Universo temprano. Y lo que ven es cuando dejan que el Universo evolucione en el tiempo, por ejemplo, cuando el Universo se está expandiendo, tienes estos grupos de materia oscura formándose en galaxias en todos estos filamentos de los que hablaste.
Puede rastrear la ubicación de la materia oscura al comprender la expansión del espacio frente a la gravedad que crea las galaxias que vemos.
Fraser:Y sé en las observaciones que ves estas diferentes distribuciones de materia y materia oscura, no es la radio perfecta 1: 6 que acabo de mencionar antes. De hecho, ves agrupaciones de materia oscura que a veces se separan de la materia regular. Entonces, ¿es posible tener galaxias enteras que estén completamente compuestas de materia oscura?
Sarah:Sí, ese es uno de los temas que me entusiasman mucho. Trabajo en algunas de estas galaxias de solo materia oscura, y la forma en que puedes pensar es que la materia oscura está distribuida casi uniformemente en el Universo temprano. Pero parte de ella es ligeramente más densa que otras partes, que colapsa en galaxias. Y muchas de esas galaxias serán mucho más pequeñas que la Vía Láctea. Y debido a que son tan pequeños, les cuesta realmente aferrarse al asunto que tienen dentro.
Una estrella joven y brillante brilla Crédito: NASA / JPL-Caltech
Creemos que cuando se activa la formación de estrellas en estas galaxias, es posible que en realidad sople una gran cantidad de gas que podría crear más estrellas, pero no apagará la materia oscura. Eso significa que podría terminar con estas pequeñas galaxias diminutas que solo tienen materia oscura. Puede que tengan algo de gas, pero a los astrónomos nos resulta muy difícil encontrarlos.
Fraser:Bueno, si son materia oscura y la materia oscura es invisible, ¿cómo los encontramos?
Sarah:Oh, gran pregunta. Entonces, por ejemplo, alrededor de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, según la hipótesis de nuestro paradigma actual de cosmología y la forma en que pensamos sobre el Universo, en realidad debería haber miles de grupos de materia oscura, estas galaxias de materia oscura, como que orbitan nuestra propia galaxia.
Impresión artística de la materia oscura que rodea la Vía Láctea. (ESO / L. Calçada)
Algunos de estos podrían destruirse cuando atraviesen el enorme disco de la Vía Láctea, esa es una forma de destruirlos. Los más pequeños podrían ser destruidos solo por las mareas mientras orbitan alrededor de la galaxia. Sin embargo, imaginamos que algunos de ellos podrían sobrevivir. En realidad, pueden atravesar lo que llamamos corrientes estelares, que se forman cuando una galaxia real cae en nuestra propia Vía Láctea y se expande por las mareas. Debería poder ver estas firmas de densidad en la corriente estelar, y eso podría indicar qué tipo de halo de materia oscura los atravesó.
Fraser:Insinuó una forma en que podrían formarse. Tienes estas estrellas a medida que se están formando temprano y explotándose a sí mismas y el grupo de materia oscura no puede retenerlas, por lo que esa parte se ha ido. ¿Es esa la forma principal en que se pueden formar? ¿Hay otras formas de obtener estas galaxias oscuras?
Sarah:Una hipótesis diferente es que si tienes un AGN, un núcleo galáctico activo dentro de una galaxia procedente de un agujero negro, en realidad también podrías expulsar una gran cantidad de gas de una galaxia. Pero todavía no está muy claro para nosotros, los astrónomos, qué tipo de galaxias y si las galaxias pequeñas tendrían estos núcleos galácticos activos.
La impresión de este artista muestra los alrededores del agujero negro supermasivo en el corazón de la galaxia activa NGC 3783 en la constelación austral de Centaurus (El Centauro). Crédito: ESO / M. Kornmesser
Entonces, la mejor teoría en este momento es que algunos de ellos podrían haber atraído mucho gas inicialmente porque no tenían mucha gravedad para atraer el gas. Pero también, porque este gas se pierde por completo. También de las estrellas que explotan, en realidad, no solo de las estrellas que se encienden inicialmente.
Fraser:Y sé que los astrónomos y físicos están tratando de buscar materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones, y tratan de ver si pueden entender la partícula subyacente. ¿La búsqueda en la que está trabajando nos da alguna idea de la naturaleza subyacente de la materia oscura?
Sarah:Sí, también una gran pregunta, porque por ejemplo si la materia oscura está fría. El paradigma de la materia oscura fría es muy popular en este momento. Lo que establece que la materia oscura podría ser una partícula de interacción débil muy masiva. Cuando hablamos de materia oscura cálida o fría, también nos referimos a la rapidez con la que se mueve. Y dependiendo de qué tipo de partícula de materia oscura sea, ese tipo de estructura establece la estructura del Universo temprano.
Entonces podemos comenzar a contar, si tenemos materia oscura fría, esperaríamos ver una cierta cantidad de estas galaxias oscuras frías, donde esa cantidad sería diferente, si tuviéramos materia oscura cálida.
La búsqueda internacional de materia oscura supercriogénica (SuperCDMS) ha detectado lo que puede ser la partícula que se cree que forma la materia oscura en todo el Universo.
Fraser:Eso es realmente genial, por lo que las observaciones que haces les dan a los físicos una mejor idea de lo que deberían buscar en sus aceleradores de partículas, y los dos lados pueden trabajar juntos. Eso es realmente genial.
Está bien Sarah, haz tus apuestas. ¿Cuál crees que es el candidato más probable para la materia oscura?
Sarah:Sigo pensando que esta es una pregunta difícil y no estoy seguro de si los físicos de partículas piensan que los estamos ayudando. Seguimos abordando las cosas desde diferentes lados, pero ya veremos.
Sigo pensando que será una de esas partículas masivas débilmente interactivas que todavía no hemos detectado.
Fraser:Muchas gracias por acompañarme en la Guía del Espacio Sarah, realmente aprecio que nos expliques estas galaxias de materia oscura.
Bueno, ahí lo tienes. La materia oscura es algo extraño, extraño. Todavía no sabemos qué es, pero podemos ver cómo se mueve, interactúa con la materia a través de su gravedad. Y podemos ver cómo puede formar galaxias enteras de solo materia oscura.
Muchas gracias a Sarah Pearson. Si aún no lo ha hecho, visite su canal de YouTube: Space with Sarah. Está cubriendo grandes temas, como preguntarse cuándo se apagará el Sol, qué tan grande es el Universo y cómo pueden colisionar las galaxias en un Universo en expansión.
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