Identificar la naturaleza de la materia oscura es una tarea central en la física de partículas y la astrofísica
Un equipo de investigación dirigido por físicos de la Universidad de California, Riverside, informa que las diminutas galaxias satélites de la Vía Láctea pueden utilizarse para probar las propiedades fundamentales de la "materia oscura", material no luminoso que se cree que constituye el 85% de la materia del universo.
Utilizando sofisticadas simulaciones, los investigadores muestran que una teoría llamada materia oscura autointeractiva, o SIDM, puede explicar de manera convincente las diversas distribuciones de materia oscura en Draco y Fornax, dos de las más de 50 galaxias satélite descubiertas junto a la Vía Láctea.
La teoría predominante de la materia oscura, llamada Materia Oscura Fría, o CDM, explica gran parte del universo, incluyendo cómo surgen las estructuras en él. Pero para la CDM ha sido desde hace mucho tiempo un desafío explicar las diversas distribuciones de materia oscura en las galaxias.
Los investigadores, dirigidos por Hai-Bo Yu y Laura V. Sales de la Universidad de California en Riverside, estudiaron la evolución del "subhalo" de la SIDM en el "campo de mareas" de la Vía Láctea, el gradiente en el campo gravitatorio de la Vía Láctea que una galaxia satélite siente en forma de fuerza de mareas. Los subhalos son grupos de materia oscura que albergan las galaxias satélites.
"Encontramos que la SIDM puede producir diversas distribuciones de materia oscura en los halos de Draco y Fornax, de acuerdo con las observaciones", dijo Yu, profesor asociado de física y astronomía y físico teórico experto en las propiedades de las partículas de materia oscura. "En la SIDM, la interacción entre los subhalos y las mareas de la Vía Láctea conduce a distribuciones de materia oscura más diversas en las regiones internas de los subhalos, en comparación con sus homólogos de la CDM".
Draco y Fornax tienen extremos opuestos en sus contenidos internos de materia oscura. Draco tiene la mayor densidad de materia oscura entre las nueve brillantes galaxias satélites de la Vía Láctea; Fornax tiene la menor. Usando mediciones astronómicas avanzadas, los astrofísicos recientemente reconstruyeron sus trayectorias orbitales en el campo de mareas de la Vía Láctea.
"Nuestro reto era entender el origen de las diversas distribuciones de materia oscura de Draco y Fornax a la luz de estas trayectorias orbitales recién medidas", dijo Yu. "Encontramos que la SIDM puede proporcionar una explicación después de tener en cuenta tanto los efectos de las mareas como las interacciones de la materia oscura".
Los resultados del estudio aparecen en la revista Physical Review Letters.
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo en gran parte desconocida. A diferencia de la materia normal, no absorbe, refleja o emite luz, lo que dificulta su detección. Identificar la naturaleza de la materia oscura es una tarea central en la física de partículas y la astrofísica.
En la CDM, se supone que las partículas de materia oscura no sufren colisiones, y cada galaxia se encuentra dentro de un halo de materia oscura que forma el andamiaje gravitacional que la mantiene unida. En la SIDM, se propone que la materia oscura interactúe por sí misma a través de una nueva fuerza oscura. Se supone que las partículas de materia oscura colisionan fuertemente entre sí en el halo interior, cerca del centro de la galaxia, un proceso llamado autointeracción de la materia oscura.
"Nuestro trabajo muestra que las galaxias satélites de la Vía Láctea pueden proporcionar importantes pruebas de diferentes teorías de la materia oscura", dijo Sales, profesor asistente de física y astronomía y astrofísico con experiencia en simulaciones numéricas de la formación de galaxias. "Mostramos que la interacción entre las auto-interacciones de la materia oscura y las interacciones de las mareas pueden producir firmas novedosas en la SIDM que no se esperan en la predominante teoría de la CDM".
"Nuestras simulaciones revelan novedosas dinámicas cuando un subhalo SIDM evoluciona en el campo de las mareas", dijo Omid Sameie, un antiguo estudiante de postgrado de la UCR que trabajó con Yu y Sales y que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin, trabajando en simulaciones numéricas de la formación de galaxias. "Se pensaba que las observaciones de Draco eran inconsistentes con las predicciones de la SIDM. Pero encontramos un subhalo en SIDM que puede producir una alta densidad de materia oscura para explicar a Draco".
Sales explicó que la SIDM predice un fenómeno único llamado "colapso del núcleo". En ciertas circunstancias, la parte interna del halo colapsa bajo la influencia de la gravedad y produce una alta densidad. Esto es contrario a la expectativa habitual de que las auto-interacciones de la materia oscura conducen a un halo de baja densidad. Sales dijo que las simulaciones del equipo identifican las condiciones para que el colapso del núcleo ocurra en los subhalos.
"Para explicar la alta densidad de materia oscura de Draco, su concentración inicial de halo debe ser alta", dijo. "Se necesita distribuir más masa de materia oscura en el halo interior. Si bien esto es cierto tanto para CDM como para SIDM, para SIDM el fenómeno de colapso del núcleo sólo puede ocurrir si la concentración es alta, de modo que la escala de tiempo de colapso es menor que la edad del universo. Por otro lado, Fornax tiene un subhalo de baja concentración, y por lo tanto su densidad sigue siendo baja".
Los investigadores subrayaron que su trabajo actual se centra principalmente en la SIDM y no hace una evaluación crítica de lo bien que la CDM puede explicar tanto a Draco como a Fornax.
Después de que el equipo utilizara simulaciones numéricas para tener en cuenta adecuadamente la interacción dinámica entre las autointeracciones de la materia oscura y las interacciones de las mareas, los investigadores observaron un resultado sorprendente.
"La materia oscura central de un subhalo SIDM podría estar aumentando, en contra de las expectativas habituales", dijo Sameie. "Es importante que nuestras simulaciones identifiquen las condiciones para que este fenómeno ocurra en la SIDM, y demostramos que puede explicar las observaciones de Draco".
El equipo de investigación planea extender el estudio a otras galaxias satélites, incluyendo galaxias ultradébiles.
