Nuevos datos del Hubble sugieren que falta un ingrediente en las teorías actuales de la materia oscura.
Las observaciones del Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA y el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en Chile han descubierto que algo puede faltar en las teorías sobre cómo se comporta la materia oscura. Este ingrediente faltante puede explicar por qué los investigadores han descubierto una discrepancia inesperada entre las observaciones de las concentraciones de materia oscura en una muestra de cúmulos de galaxias masivas y las simulaciones teóricas por computadora de cómo debería distribuirse la materia oscura en cúmulos. Los nuevos hallazgos indican que algunas concentraciones de materia oscura a pequeña escala producen efectos de lente que son 10 veces más fuertes de lo esperado.
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| Hubble arroja luz sobre concentraciones de materia oscura a pequeña escala (impresión del artista). Esta imagen del telescopio espacial Hubble de NASA / ESA muestra el cúmulo masivo de galaxias MACSJ 1206. Incrustadas dentro del cúmulo están las imágenes distorsionadas de galaxias distantes de fondo, vistas como arcos y características manchadas. Estas distorsiones son causadas por la materia oscura en el cúmulo, cuya gravedad dobla y magnifica la luz de galaxias lejanas, un efecto llamado lente gravitacional. Este fenómeno permite a los astrónomos estudiar galaxias remotas que de otro modo serían demasiado débiles para ver. Sobre la imagen hay concentraciones de materia oscura a pequeña escala (representadas en azul en la impresión de este artista). La materia oscura es el pegamento invisible que mantiene unidas a las estrellas dentro de una galaxia y constituye la mayor parte de la materia del Universo. Estos halos azules reflejan cómo se distribuye la materia oscura del cúmulo de galaxias, revelado por nuevos resultados del Telescopio Espacial Hubble. Esto fue logrado por un equipo de astrónomos midiendo la cantidad de lentes gravitacionales. Crédito: NASA, ESA, G. Caminha (Universidad de Groningen), M. Meneghetti (Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia), P. Natarajan (Universidad de Yale), el equipo CLASH y M. Kornmesser (ESA / Hubble) . |
La materia oscura es el pegamento invisible que mantiene las estrellas, el polvo y el gas juntos en una galaxia. Esta misteriosa sustancia constituye la mayor parte de la masa de una galaxia y forma la base de la estructura a gran escala de nuestro Universo. Debido a que la materia oscura no emite, absorbe ni refleja la luz, su presencia solo se conoce a través de su atracción gravitacional sobre la materia visible en el espacio. Los astrónomos y físicos todavía están tratando de precisar qué es.
Los cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas y recientemente ensambladas del Universo, también son los depósitos más grandes de materia oscura. Los cúmulos están compuestos por galaxias miembros individuales que se mantienen unidas en gran parte por la gravedad de la materia oscura.
"Los cúmulos de galaxias son laboratorios ideales para estudiar si las simulaciones numéricas del Universo que están disponibles actualmente reproducen bien lo que podemos inferir de la lente gravitacional", dijo Massimo Meneghetti del Observatorio INAF de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia en Italia. autor principal del estudio [1].
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| Imagen del Hubble del cúmulo de galaxias MACS J0416.1–2403. Esta imagen del Telescopio Espacial Hubble de NASA / ESA muestra el cúmulo de galaxias MACS J0416.1–2403. Este es uno de los seis que está estudiando el programa Hubble Frontier Fields. Este programa busca analizar la distribución de masa en estos enormes cúmulos y utilizar el efecto de lente gravitacional de estos cúmulos para mirar aún más profundamente en el Universo distante. Un equipo de investigadores utilizó casi 200 imágenes de galaxias distantes, cuya luz ha sido doblada y magnificada por este enorme cúmulo, combinada con la profundidad de los datos del Hubble para medir la masa total de este cúmulo con mayor precisión que nunca. Crédito: ESA / Hubble, NASA, HST Frontier Fields; Reconocimiento: Mathilde Jauzac (Universidad de Durham, Reino Unido y Unidad de Investigación de Astrofísica y Cosmología, Sudáfrica) y Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza). |
"Hemos realizado muchas pruebas de los datos de este estudio, y estamos seguros de que este desajuste indica que falta algún ingrediente físico en las simulaciones o en nuestra comprensión de la naturaleza de la materia oscura", agregó Meneghetti.
"Hay una característica del Universo real que simplemente no estamos capturando en nuestros modelos teóricos actuales", agregó Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale en Connecticut, EE. UU., Uno de los teóricos principales del equipo. "Esto podría indicar una brecha en nuestra comprensión actual de la naturaleza de la materia oscura y sus propiedades, ya que estos datos exquisitos nos han permitido sondear la distribución detallada de la materia oscura en las escalas más pequeñas".
La distribución de la materia oscura en grupos se mapea midiendo la curvatura de la luz, el efecto de lente gravitacional, que producen. La gravedad de la materia oscura concentrada en cúmulos aumenta y deforma la luz de los objetos distantes del fondo. Este efecto produce distorsiones en las formas de las galaxias de fondo que aparecen en las imágenes de los cúmulos. La lente gravitacional a menudo también puede producir múltiples imágenes de la misma galaxia distante.
Cuanto mayor sea la concentración de materia oscura en un cúmulo, más dramático será el efecto de desvío de la luz. La presencia de cúmulos de materia oscura a menor escala asociados con los cúmulos de galaxias individuales aumenta el nivel de distorsiones. En cierto sentido, el cúmulo de galaxias actúa como una lente a gran escala que tiene muchas lentes más pequeñas incrustadas en su interior.
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| El Hubble examina el cúmulo de galaxias MACSJ 1206. Esta imagen del telescopio espacial Hubble muestra el cúmulo masivo de galaxias MACSJ 1206. Incrustadas dentro del cúmulo están las imágenes distorsionadas de galaxias distantes de fondo, vistas como arcos y rasgos manchados. Estas distorsiones son causadas por la materia oscura en el cúmulo, cuya gravedad dobla y magnifica la luz de galaxias lejanas, un efecto llamado lente gravitacional. Este fenómeno permite a los astrónomos estudiar galaxias remotas que de otro modo serían demasiado débiles para ver. Los astrónomos midieron la cantidad de lentes gravitacionales causadas por este cúmulo para producir un mapa detallado de la distribución de la materia oscura en él. La materia oscura es el pegamento invisible que mantiene unidas a las estrellas dentro de una galaxia y constituye la mayor parte de la materia del Universo. La imagen del Hubble es una combinación de observaciones de luz visible e infrarroja tomadas en 2011 por la Cámara avanzada para encuestas y la Cámara de campo amplio 3. Crédito: NASA, ESA, G. Caminha (Universidad de Groningen), M. Meneghetti (Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia), P. Natarajan (Universidad de Yale) y el equipo CLASH. |
Las imágenes nítidas del Hubble fueron tomadas por la cámara de campo amplio 3 (WFC3) y la cámara avanzada para encuestas (ACS) del telescopio. Junto con los espectros del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral, el equipo produjo un mapa de materia oscura preciso y de alta fidelidad. Al medir las distorsiones de las lentes, los astrónomos pudieron rastrear la cantidad y distribución de materia oscura. Los tres cúmulos de galaxias clave, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 y Abell S1063, formaron parte de dos estudios del Hubble: los campos Frontier y el estudio Cluster Lensing And Supernova with Hubble (CLASH).
Para sorpresa del equipo, además de los arcos dramáticos y las características alargadas de las galaxias distantes producidas por las lentes gravitacionales de cada cúmulo, las imágenes del Hubble también revelaron un número inesperado de arcos de menor escala e imágenes distorsionadas anidadas cerca del núcleo de cada cúmulo, donde las más masivas residen galaxias. Los investigadores creen que las lentes anidadas son producidas por la gravedad de densas concentraciones de materia dentro de los cúmulos de galaxias individuales. Las observaciones espectroscópicas de seguimiento midieron la velocidad de las estrellas que orbitan dentro de varias de las galaxias del cúmulo para determinar sus masas.
"Los datos del Hubble y el VLT proporcionaron una excelente sinergia", compartió el miembro del equipo Piero Rosati de la Università degli Studi di Ferrara en Italia, quien dirigió la campaña espectroscópica. "Pudimos asociar las galaxias con cada cúmulo y estimar sus distancias".
"La velocidad de las estrellas nos dio una estimación de la masa de cada galaxia individual, incluida la cantidad de materia oscura", agregó el miembro del equipo Pietro Bergamini del Observatorio INAF de Astrofísica y Ciencias Espaciales en Bolonia, Italia.
Mediante la combinación de imágenes de Hubble y espectroscopía VLT, los astrónomos pudieron identificar docenas de galaxias de fondo con lentes y múltiples imágenes. Esto les permitió ensamblar un mapa bien calibrado y de alta resolución de la distribución de masa de materia oscura en cada cúmulo.
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| Imagen del Hubble de Abell S1063. Abell S1063, un cúmulo de galaxias, fue observado por el Telescopio Espacial Hubble de NASA / ESA como parte del programa Frontier Fields. La enorme masa del cúmulo actúa como una lupa cósmica y agranda galaxias aún más distantes, por lo que se vuelven lo suficientemente brillantes para que el Hubble las vea. Crédito: NASA, ESA y J. Lotz (STScI). |
El equipo comparó los mapas de materia oscura con muestras de cúmulos de galaxias simulados con masas similares, ubicadas aproximadamente a las mismas distancias. Los cúmulos en el modelo de computadora no mostraron el mismo nivel de concentración de materia oscura en las escalas más pequeñas, las escalas asociadas con los cúmulos de galaxias individuales.
"Los resultados de estos análisis demuestran aún más cómo las observaciones y las simulaciones numéricas van de la mano", dijo Elena Rasia, miembro del equipo del Observatorio Astronómico INAF de Trieste, Italia.
"Con simulaciones cosmológicas avanzadas, podemos igualar la calidad de las observaciones analizadas en nuestro artículo, permitiendo comparaciones detalladas como nunca antes", agregó Stefano Borgani de la Università degli Studi di Trieste, Italia.
Los astrónomos, incluidos los de este equipo, esperan continuar investigando la materia oscura y sus misterios para finalmente precisar su naturaleza.
Notas.
[1] El artículo del equipo aparecerá en la edición del 11 de septiembre de 2020 de la revista Science.
Más información
El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la ESA y la NASA.
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| El telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA. Crédito: NASA/ESA. |
El equipo internacional de astrónomos de este estudio está formado por M. Meneghetti, G. Davoli, P. Bergamini, P. Rosati, P. Natarajan, C. Giocoli, GB Caminha, RB Metcalf, E. Rasia, S. Borgani, F. Calura, C. Grillo, A. Mercurio y E. Vanzella.
Crédito de la imagen: NASA, ESA, G. Caminha (Universidad de Groningen), M. Meneghetti (Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia), P. Natarajan (Universidad de Yale), el equipo CLASH y M. Kornmesser (ESA / Hubble). )
Enlaces
Contactos
Massimo Meneghetti
INAF-Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio di Bologna
Bolonia, Italia
Correo electrónico: Massimo.Meneghetti@inaf.it
Priyamvada Natarajan
Departamento de Astronomía y Física, Universidad de Yale
Connecticut, Estados Unidos
Correo electrónico: Priyamvada.Natarajan@yale.edu
Bethany Downer
ESA / Hubble, Oficial de información pública
Garching, Alemania
Correo electrónico: Bethany.Downer@partner.eso.org
• Publicado en Hubble el 10 de septiembre del 2020, enlace publicación.
