El telescopio Hubble de la NASA rastrea la materia oscura en una galaxia enana usando movimientos estelares

Las cualidades y el comportamiento de la materia oscura, el "pegamento" invisible del universo, siguen envueltos en misterio. Aunque las galaxias están formadas principalmente por materia oscura, comprender cómo se distribuye dentro de ellas ofrece pistas sobre qué es esta sustancia y cuál es su relevancia para la evolución de una galaxia.

Un equipo de astrónomos analizó las observaciones realizadas con el telescopio espacial Hubble de la NASA durante un período de 18 años para medir los movimientos dinámicos de las estrellas en la galaxia enana Draco. La extensa base de datos y el archivo de datos del telescopio permitieron al equipo construir el mapa tridimensional más preciso de los movimientos de las estrellas dentro del sistema. Estas mediciones mejoradas están ayudando a arrojar "luz" sobre las misteriosas cualidades y el comportamiento de la materia oscura, el "pegamento" invisible del universo. Créditos: Ciencia: NASA, ESA, Eduardo Vitral (STScI), Roeland van der Marel (STScI), Sangmo Tony Sohn (STScI), DSS. Procesamiento de imágenes: Joseph DePasquale (STScI)

Aunque las simulaciones por ordenador sugieren que la materia oscura debería acumularse en el centro de una galaxia, lo que se denomina cúspide de densidad, muchas observaciones telescópicas anteriores han indicado que, en cambio, está más uniformemente dispersa por toda la galaxia. La razón de esta tensión entre el modelo y la observación sigue desconcertando a los astrónomos, lo que refuerza el misterio de la materia oscura.

Un equipo de astrónomos ha recurrido al telescopio espacial Hubble de la NASA para intentar aclarar este debate midiendo los movimientos dinámicos de las estrellas dentro de la galaxia enana Draco, un sistema ubicado a aproximadamente 250.000 años luz de la Tierra. Utilizando observaciones que abarcaron 18 años, lograron construir la comprensión tridimensional más precisa de los movimientos de las estrellas dentro de la diminuta galaxia. Esto requirió revisar casi dos décadas de observaciones de archivo del Hubble de la galaxia Draco.

"Nuestros modelos tienden a coincidir más con una estructura de tipo cúspide, que se alinea con los modelos cosmológicos", dijo Eduardo Vitral del Instituto Científico del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore y autor principal del estudio. "Si bien no podemos decir definitivamente que todas las galaxias contienen una distribución de materia oscura de tipo cúspide, es emocionante tener datos tan bien medidos que superan todo lo que teníamos antes".

Graficando los movimientos de las estrellas

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Para aprender sobre la materia oscura dentro de una galaxia, los científicos pueden observar sus estrellas y sus movimientos, que están dominados por la atracción de la materia oscura. Un método común para medir la velocidad de los objetos que se mueven en el espacio es el efecto Doppler, un cambio observado en la longitud de onda de la luz cuando una estrella se acerca o se aleja de la Tierra. Aunque esta velocidad en la línea de visión puede proporcionar información valiosa, solo se puede extraer cierta información de esta fuente unidimensional de información.

Además de acercarse o alejarse de nosotros, las estrellas también se mueven por el cielo, lo que se mide en función de su movimiento propio. Al combinar la velocidad de la línea de visión con los movimientos propios, el equipo creó un análisis sin precedentes de los movimientos tridimensionales de las estrellas.

"Las mejoras en los datos y las mejoras en los modelos suelen ir de la mano", explicó Roeland van der Marel, del STScI, coautor del artículo que inició el estudio hace más de diez años. "Si no se dispone de datos muy sofisticados o sólo de datos unidimensionales, los modelos relativamente sencillos suelen ser adecuados. Cuanto más dimensiones y complejidad tengan los datos que se recopilen, más complejos deberán ser los modelos para captar verdaderamente todas las sutilezas de los datos".

Una maratón científica (no un sprint)

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Como se sabe que las galaxias enanas tienen una mayor proporción de contenido de materia oscura que otros tipos de galaxias, el equipo se centró en la galaxia enana Draco, que es un satélite relativamente pequeño y esferoidal cercano a la Vía Láctea.

"Cuando se miden los movimientos propios, se anota la posición de una estrella en una época y luego, muchos años después, se mide la posición de esa misma estrella. Se mide el desplazamiento para determinar cuánto se movió", explicó Sangmo Tony Sohn, del STScI, otro coautor del artículo e investigador principal del último programa de observación. "Para este tipo de observación, cuanto más se espere, mejor se pueden medir los desplazamientos de las estrellas".

El equipo analizó una serie de épocas que abarcan desde 2004 hasta 2022, una extensa línea de base que solo el Hubble podía ofrecer, debido a la combinación de su visión nítida y estable y un tiempo récord en funcionamiento. El rico archivo de datos del telescopio ayudó a reducir el nivel de incertidumbre en la medición de los movimientos propios de las estrellas. La precisión es equivalente a medir un desplazamiento anual un poco menor que el ancho de una pelota de golf vista desde la Luna desde la Tierra.

Con tres dimensiones de datos, el equipo redujo la cantidad de suposiciones aplicadas en estudios anteriores y consideró características específicas de la galaxia (como su rotación y la distribución de sus estrellas y materia oscura) en sus propios esfuerzos de modelado.

Un futuro apasionante

Las metodologías y modelos desarrollados para la galaxia enana Draco se podrán aplicar a otras galaxias en el futuro. El equipo ya está analizando las observaciones del Hubble de la galaxia enana Sculptor y la galaxia enana Ursa Minor.

El estudio de la materia oscura requiere la observación de diferentes entornos galácticos y también implica la colaboración entre diferentes misiones de telescopios espaciales. Por ejemplo, el próximo telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA ayudará a revelar nuevos detalles de las propiedades de la materia oscura en diferentes galaxias gracias a su capacidad para estudiar grandes franjas del cielo.

"Este tipo de estudio es una inversión a largo plazo y requiere mucha paciencia", reflexiona Vitral. "Podemos hacer esta ciencia gracias a toda la planificación que se realizó a lo largo de los años para recopilar estos datos. Los conocimientos que hemos recopilado son el resultado de un grupo más grande de investigadores que ha estado trabajando en estas cosas durante muchos años".

Estos resultados se publican hoy en The Astrophysical Journal.

El telescopio espacial Hubble ha estado en funcionamiento durante más de tres décadas y continúa realizando descubrimientos revolucionarios que dan forma a nuestra comprensión fundamental del universo. Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio y las operaciones de la misión. Lockheed Martin Space, con sede en Denver, Colorado, también apoya las operaciones de la misión en Goddard. El Instituto Científico del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, que es operado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, lleva a cabo operaciones científicas del Hubble para la NASA.