Después de todo, la materia oscura podría no ser totalmente oscura.
¿Primeros signos de interacción de la materia oscura consigo misma?
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| Imagen del cúmulo de galaxias Abell 3827 obtenida por el telescopio espacial Hubble. Esta imagen del telescopio espacial Hubble de NASA/ESA muestra el rico cúmulo de galaxias Abell 3827. Las extrañas estructuras azules alrededor de las galaxias centrales son una galaxia distante, situada detrás del cúmulo, vista con el efecto de lente gravitacional. Las observaciones de las cuatro galaxias centrales fusionándose han proporcionado indicios de que la materia oscura que rodea a una de las galaxias no se mueve con la propia galaxia, lo cual posiblemente implica que están teniendo lugar interacciones de naturaleza desconocida en la materia oscura con otra materia oscura. Crédito: ESO |
Por primera vez, podría haberse observado materia oscura interactuando con otra materia oscura de un modo distinto al que genera la propia fuerza de la gravedad. Observando galaxias en colisión con el VLT (Very Large Telescope) de ESO y con el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, se han captado los primeros indicios sobre la naturaleza de este misterioso componente del universo.
Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el VLT de ESO (Chile), junto con imágenes del telescopio espacial Hubble, un equipo de astrónomos ha estudiado la colisión simultánea de cuatro galaxias en el cúmulo de galaxias Abell 3827. El equipo ha podido determinar en qué partes del interior del sistema se encuentra la masa y comparar la distribución de la materia oscura con las posiciones de las galaxias luminosas.
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| Imagen de Hubble del cúmulo de galaxias Abell 3827 que muestra la distribución de la materia oscura. Esta imagen del Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA muestra el rico cúmulo de galaxias Abell 3827. Las extrañas estructuras de color azul pálido que rodean las galaxias centrales son vistas gravitacionales de una galaxia mucho más distante detrás del cúmulo. La distribución de la materia oscura en el grupo se muestra con líneas de contorno azules. El grupo de materia oscura para la galaxia de la izquierda se desplaza significativamente de la posición de la galaxia misma, lo que posiblemente implica que se están produciendo interacciones entre la materia oscura y la materia oscura de naturaleza desconocida. Crédito: ESO / R. Massey |
Aunque la materia oscura no puede verse, el equipo fue capaz de deducir su ubicación debido al efecto distorsionador que ejerce su masa en la luz de las galaxias del fondo, una técnica llamada de lentes gravitacionales. La colisión ocurrió frente a una quinta galaxia de fondo, cuya luz tuvo que viajar a través de la colisión para llegar a la Tierra. La masa del cúmulo distorsionó violentamente el espacio-tiempo, desviando la trayectoria de la luz proveniente de la lejana galaxia.
Actualmente sabemos que todas las galaxias existen dentro de cúmulos de materia oscura. Sin el efecto vinculante de la gravedad de la materia oscura, las galaxias como la Vía Láctea se disgregarían al girar. Para evitar este efecto, el 85 por ciento de la masa del universo [1] debe ser materia oscura, y sin embargo su verdadera naturaleza sigue siendo un misterio.
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| Una musa para el VLT. El Explorador Espectroscópico de Múltiples Unidades (MUSE) es un instrumento de segunda generación en desarrollo para el Very Large Telescope (VLT) de ESO, que comenzará a funcionar en 2012. MUSE es un espectrógrafo 3D extremadamente poderoso e innovador con un amplio campo de visión, proporcionando espectros simultáneos de numerosas regiones adyacentes en el cielo. El instrumento está alimentado por un nuevo sistema de óptica adaptativa de múltiples láseres en el VLT. El desarrollo de MUSE ha sido una experiencia clave para los instrumentos de la próxima generación, tanto para el VLT como para el Extremely Large Telescope (ELT) planificado. El programa de instrumentación VLT es el más ambicioso concebido para un solo observatorio. Crédito: ESO |
En este estudio, los investigadores observaron las cuatro galaxias en colisión y descubrieron que un cúmulo de materia oscura parecía quedarse a la zaga de la galaxia a la que rodeaba. De hecho, actualmente la materia oscura está detrás de la galaxia, a una distancia de 5.000 años luz (50.000 millones de millones de kilómetros), la nave espacial Voyager de la NASA tardaría 90 millones de años en llegar a ese punto tan alejado de nuestra galaxia, la Vía Láctea.
Se predice que, durante las colisiones, puede existir un desfase entre la materia oscura y su galaxia asociada si la materia oscura interacciona consigo misma, incluso si es muy levemente, a través de fuerzas que no sean la de la gravedad [2]. Nunca antes se había observado materia oscura interaccionando de alguna manera que no fuera a través de la fuerza de la gravedad.
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| Vista aérea de la plataforma del VLT. Vista aérea del VLT (Very Large Telescope) de ESO en la cima de Cerro Paranal, en el desierto chileno de Atacama. En el lado inferior izquierdo de la plataforma, se distinguen claramente los edificios de las cuatro inmensas unidades de telescopio (UTs, Unit Telescopes) de 8,2 metros. Las UTs pueden observar tanto de forma individual como combinadas en grupos de dos o tres con una técnica llamada interferometría. En esta fotografía, la posición que ocupan en la plataforma es la que permite el máximo número de configuraciones posible. Alineado a la derecha de las UTs están los cuatro telescopios auxiliares (ATs, Auxiliary Telescopes) de 1,8 metros, dedicados por completo a observaciones interferométricas. Los ATs pueden moverse, reubicándose en 30 posiciones diferentes para observar, lo que permite un gran número de configuraciones distintas. En la esquina izquierda de la plataforma vemos el telescopio de rastreo del VLT (el VST, de VLT Survey Telescope) de 2,6 metros. Con una cámara de 256 megapíxeles, el VST tendrá un campo de visión de cuatro veces la superficie de la Luna llena, lo que permitirá al VST cubrir grandes áreas del cielo. En la parte inferior de la plataforma se encuentra el edificio de Control, en el que los astrónomos operan los telescopios durante la noche. Crédito: J.L. Dauvergne & G. Hüdepohl (atacamaphoto.com)/ESO |
El autor principal, Richard Massey (Universidad de Durham), explica: "Solíamos pensar que la materia oscura simplemente está ahí, ocupándose de sus cosas, excepto cuando vemos su tirón gravitatorio. Pero si la materia oscura fuese frenada durante la colisión, podría ser la primera evidencia física valiosa para los que trabajan en el campo de la materia oscura, el universo escondido que nos rodea".
Los investigadores señalan que será necesario investigar otros efectos que también podrían producir ese desfase. Habrá que llevar a cabo observaciones similares de más galaxias y simulaciones por ordenador de estas colisiones de galaxias.
Liliya Williams (Universidad de Minnesota), miembro del equipo de investigación, añade: "Sabemos que la materia oscura existe debido a la forma en que interactúa gravitacionalmente, ayudando a forjar el universo, pero aún sabemos muy poco acerca de lo que es en realidad la materia oscura. Nuestra observación sugiere que la materia oscura podría interactuar con otras fuerzas que no son la de gravedad, lo que significaría que podríamos descartar algunas teorías fundamentales acerca de qué podría ser la materia oscura".
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| El vuelo del Hubble. Crédito: ESA/NASA & Hubble. |
Este resultado se desprende de otros resultados recientes obtenidos por el equipo que observó 72 colisiones entre cúmulos de galaxias [3] y descubrió que la materia oscura interacciona muy poco consigo misma. Sin embargo, el nuevo trabajo se refiere al movimiento de las galaxias individuales, más que al de los cúmulos de galaxias. Los investigadores afirman que la colisión entre estas galaxias podría haber durado más que las colisiones observadas en el estudio anterior, permitiendo que los efectos generados por una fuerza de fricción (aunque fuera muy pequeña) se acumulasen con el tiempo y crearan un desfase mensurable [4].
Si unimos ambos resultados, estos pondrían, por primera vez, un límite al comportamiento de la materia oscura. Digamos que la materia oscura hace, por un lado, más que esto, pero, por otro, menos que aquello. Massey agregó: "Por fin estamos “acorralando” a la materia oscura desde varios flancos, sacando el máximo partido a nuestro conocimiento desde dos direcciones."
[1] Los astrónomos han descubierto que el contenido total de masa/energía del universo se divide en un 68% de energía oscura, un 27% de materia oscura y un 5% de materia "normal". Por tanto el 85% se refiere a la fracción de "materia" que es oscura.
[2] Las simulaciones muestran que la fricción adicional generada por la colisión frenaría a la materia oscura, haciendo que fuese más despacio. Se desconoce la naturaleza de esa interacción; puede ser causada por efectos bien conocidos o por alguna fuerza exótica desconocida. Todo lo que puede decirse en este momento es que no se trata de la gravedad.
[4] La principal incertidumbre en el resultado es el intervalo de tiempo de la colisión: la fricción que desacelera la materia oscura podría haber sido una fuerza muy débil que actuase durante aproximadamente mil millones de años, o una fuerza relativamente fuerte que actuase "sólo" durante 100 millones de años.
Este trabajo de investigación se presenta en el artículo científico titulado “The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies located in the 10 kpc core of Abell 3827”, que aparece en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 15 de abril de 2015, https://doi.org/10.1093/mnras/stv467
El equipo está formado por R. Massey (Instituto de Cosmología Computacional, Universidad de Durham, Durham, Reino Unido); L. Williams (Escuela de Física & Astronomía, Universidad de Minnesota, Minneapolis, Minnesota, EE.UU.); R. Smit (Instituto de Cosmología Computacional, Reino Unido); M. Swinbank (Instituto de Cosmología Computacional, Reino Unido); T. D. Kitching (Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard, University College de Londres, Dorking, Surrey, Reino Unido); D. Harvey (Escuela Politécnica Federal de Lausanne, Observatorio de Sauverny, Versoix, Suiza); H. Israel (Instituto de Cosmología Computacional, Reino Unido); M. Jauzac (Instituto de Cosmología Computacional, Reino Unido; Unidad de Investigación en Astrofísica y Cosmología, Escuela de Ciencias Matemáticas, Universidad de KwaZulu-Natal, Durban, Sudáfrica); D. Clowe (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Ohio, Athens, Ohio, EE.UU.); A. Edge (Departamento de Física, Universidad de Durham, Durham, Reino Unido); M. Hilton (Unidad de Investigación en Astrofísica y Cosmología, Sudáfrica); E. Jullo (Laboratorio de Astrofísica de Marsella, Universidad de Aix-Marsella, Marsella, Francia); A. Leonard (University College de Londres, Londres, Reino Unido); J. Liesenborgs (Universidad de Hasselt, Diepenbeek, Bélgica); J. Merten (Laboratorio de Propulsión a Chorro, Instituto de Tecnología de California, Pasadena, California, EE.UU.; Instituto de Tecnología de California, Pasadena, California, EE.UU); I. Mohammed (Instituto de Física, Universidad de Zúrich, Zúrich, Suiza); D. Nagai (Departamento de Física, Universidad de Yale, New Haven, Connecticut, EE.UU.); J. Richard (Observatorio de Lyon, Universidad de Lyon, Saint Genis Laval, Francia); A. Robertson (Instituto de Cosmología Computacional, Reino Unido); P. Saha (Instituto de física, Suiza); R. Santana (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Ohio, Athens, Ohio, EE.UU.); J. Stott (Departamento de Física, Durham, Reino Unido) y E. Tittley (Real Observatorio, Edimburgo, Reino Unido).
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ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro Armazones, ESO está construyendo el E-ELT (European Extremely Large Telescope), el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.
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• Publicado en ESO el 15 de abril del 2.015.
