La materia oscura, más oscura aún de lo que se pensaba.

Hubble explora el lado oscuro de las colisiones cósmicas.
Collage de seis cúmulos de galaxias en pleno proceso de fusión.

Este collage muestra imágenes del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA de seis diversos racimos de la galaxia. Los grupos fueron observados en un estudio de cómo la materia oscura en racimos de galaxias se comporta cuando los racimos chocan. Se estudiaron 72 colisiones de grandes grupos en total. Usando imágenes de luz visible de Hubble, el equipo pudo mapear la distribución post-colisión de estrellas y también de la materia oscura (coloreada en azul).

Los grupos mostrados aquí son, de izquierda a derecha y de arriba a abajo: MACS J0416.1-2403, MACS J0152.5-2852, MACS J0717.5 + 3745, Abell 370, Abell 2744 y ZwCl 1358 + 62.

Crédito de la imagen:
NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza), R. Massey (Universidad de Durham, Reino Unido), el equipo Hubble SM4 ERO, ST-ECF, ESO, D. Coe Heidelberg / Bolonia), HST Frontier Fields, Harald Ebeling (Universidad de Hawaii en Manoa), Jean-Paul Kneib (LAM) y Johan Richard (Caltech, EE.UU.)

El lado oscuro de las colisiones cósmicas.
Los astrónomos que utilizan observaciones del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA y del observatorio Chandra de rayos X de la NASA han estudiado cómo la materia oscura en grupos de galaxias se comporta cuando los conglomerados chocan. Los resultados, publicados en la revista Science el 27 de marzo de 2015, muestran que la materia oscura interactúa con ella incluso menos de lo que se pensaba anteriormente, y reduce las opciones de lo que podría ser esta misteriosa sustancia.

La materia oscura es un signo de interrogación gigante que se cierne sobre nuestro conocimiento del universo. Hay más materia oscura en el Universo que la materia visible, pero es extremadamente difícil de alcanzar, no refleja, absorbe o emite luz, haciéndola invisible. Debido a esto, sólo se sabe que existe a través de sus efectos gravitacionales sobre el Universo visible.

Para aprender más sobre esta sustancia misteriosa, los investigadores pueden estudiarla de una manera similar a los experimentos sobre la materia visible, observando lo que sucede cuando se topa con las cosas [1]. Por esta razón, los investigadores analizan vastas colecciones de galaxias, llamadas racimos de galaxias [2], donde las colisiones que afectan a la materia oscura ocurren naturalmente y donde existe en cantidad suficiente para ver los efectos de las colisiones.

Las galaxias están hechas de tres ingredientes principales: estrellas, nubes de gas y materia oscura. Durante las colisiones, las nubes de gas que se extienden a través de las galaxias que chocan entre sí y se ralentizan o se detienen. Las estrellas están mucho menos afectadas por el arrastre del gas [3] y, debido a las enormes diferencias entre ellos, no tienen un efecto de desaceleración el uno al otro, aunque si dos estrellas colisionaran las fuerzas de fricción serían enormes.

Collage de las colisiones de los seis cúmulos de galaxias con mapa de matería oscura y
datos de rayos X.

"Sabemos cómo el gas y las estrellas reaccionan ante estos choques cósmicos y donde emergen de los restos, comparando cómo la materia oscura se comporta puede ayudarnos a reducir lo que realmente es", explica David Harvey de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) En Suiza, autor principal de un nuevo estudio.

Harvey y su equipo utilizaron datos del telescopio espacial Hubble de la NASA / ESA y del observatorio Chandra de rayos X de la NASA para estudiar 72 grandes colisiones de racimo. Las colisiones ocurrieron en diferentes momentos, y se ven desde diferentes ángulos, algunos desde el lado y otros desde la cabeza [4].

El equipo encontró que, al igual que las estrellas, la materia oscura continuó recta a través de las violentas colisiones sin ralentizarse. Sin embargo, a diferencia de las estrellas, esto no se debe a que la materia oscura está muy lejos de otras materias oscuras durante las colisiones. La principal teoría es que la materia oscura se distribuye uniformemente a través de los conglomerados de galaxias, por lo que las partículas de materia oscura frecuentemente se acercan mucho entre sí. La razón por la que la materia oscura no se ralentiza es porque no sólo no interactúa con las partículas visibles, sino que también interactúa aún menos con otras materias oscuras de lo que se pensaba anteriormente.

Hubble.

"Un estudio anterior había visto un comportamiento similar en el Bullet Cluster", dice el miembro del equipo Richard Massey de la Universidad de Durham, Reino Unido. "Pero es difícil interpretar lo que estás viendo si tienes un solo ejemplo: cada colisión toma cientos de millones de años, por lo que en una vida humana sólo llegamos a ver una imagen congelada desde un solo ángulo de cámara. Han estudiado tantas más colisiones, podemos empezar a reconstruir la película completa y entender mejor lo que está pasando ".

Al encontrar que la materia oscura interactúa con sí mismo incluso menos de lo que se pensaba anteriormente, el equipo ha reducido con éxito las propiedades de la materia oscura. Los teóricos de la física de partículas tienen que seguir buscando, pero ahora tienen un conjunto más pequeño de incógnitas con las que trabajar cuando construyen sus modelos [5].

La materia oscura podría potencialmente tener propiedades ricas y complejas, y todavía hay varios otros tipos de interacción para estudiar. Estos últimos resultados descartan las interacciones que crean una fuerte fuerza de fricción, haciendo que la materia oscura se ralentice durante las colisiones. Otras posibles interacciones podrían hacer que las partículas de materia oscura reboten entre sí como bolas de billar, haciendo que la materia oscura sea expulsada de las colisiones o que las gotas de materia oscura cambien de forma. El equipo estudiará estos próximos.

Chandra.

Para aumentar aún más el número de colisiones que se pueden estudiar, el equipo también está buscando estudiar colisiones que involucren galaxias individuales, que son mucho más comunes.

"Todavía hay varios candidatos viables para la materia oscura, por lo que el juego no ha terminado, pero nos estamos acercando a una respuesta", concluye Harvey. "Estos colisionadores de partículas" Astronomically Large" finalmente nos dejan vislumbrar el mundo oscuro que nos rodea, pero sólo fuera de nuestro alcance".

Notas
[1] En la Tierra los científicos utilizan aceleradores de partículas para averiguar más sobre las propiedades de las diferentes partículas. Los físicos pueden investigar qué sustancias se producen acelerando partículas en una colisión y examinando las propiedades y la trayectoria de los restos resultantes.

[2] Los racimos de galaxias son un enjambre de galaxias impregnadas por un mar de rayos X caliente que emite gas de hidrógeno ionizado que está incrustado en una enorme nube de materia oscura. Son las interacciones de éstos, las estructuras más masivas en el universo que se observan para probar las características de la materia oscura.

[3] La interacción gas-gas en las colisiones de racimo es muy fuerte, mientras que la resistencia de la estrella de gas es débil. De forma similar a una burbuja de jabón y una bala en el viento donde la burbuja interactuaría mucho más con el viento que con la bala.

[4] Para averiguar dónde estaba la materia oscura en el grupo, los investigadores estudiaron la luz de las galaxias detrás del racimo cuya luz había sido ampliada y distorsionada por la masa del racimo. Debido a que tienen una buena idea de la masa visible en el grupo, la cantidad de luz distorsionada les dice cuánta materia oscura hay en una región.

[5] Una teoría favorecida es que la materia oscura podría estar constituida de partículas "supersimétricas". La supersimetría es una teoría en la que todas las partículas de nuestro Modelo Estándar (electrones, protones, neutrones, etc.) tienen un socio más "supersimétrico" masivo. Si bien no ha habido confirmación experimental de la supersimetría hasta ahora, la teoría resolvería algunas de las lagunas en nuestro pensamiento actual. Una de las partículas propuestas por la supersimetría sería estable, eléctricamente neutra, y sólo interactuaría débilmente con las partículas comunes del Modelo Estándar - todas las propiedades requeridas para explicar la materia oscura.

El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la ESA y la NASA.

El artículo de investigación, titulado "Las interacciones no gravitacionales de la materia oscura en los cúmulos de galaxias colisionando", se publicará en la revista Science el 27 de marzo de 2015.

El equipo internacional de astrónomos en este estudio está formado por D. Harvey (Universidad Politécnica Federal de Lausanne, Suiza, Universidad de Edimburgo, Reino Unido), R. Massey (Universidad de Durham, Reino Unido), T. Kitching A. Taylor (Universidad de Edimburgo, Reino Unido), y E. Tittley (Universidad de Edimburgo, Reino Unido).

Crédito:
NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza) y R. Massey (Durham University, Reino Unido)

Publicado en Hubble el 26 de marzo del 2.015.

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