¿Dónde está la materia oscura en esta galaxia?

• Título del artículo original: “A galaxy lacking dark matter“
• Autores: Pieter van Dokkum, Shany Danieli, Yotam Cohen, Allison Merritt, Aaron J. Romanowsky, Roberto Abraham, Jean Brodie, Charlie Conroy, Deborah Lokhorst, Lamiya Mowla, Ewan O’Sullivan, Jielai Zhang
• Institución del primer autor: Astronomy Department, Yale University, New Have, Estados Unidos de América.
• Estado de la publicación: Publicado en Nature/arXiv el 22 de marzo del 2018.

Las galaxias y la materia oscura

La gran mayoría de estudios sobre materia oscura hasta la fecha nos han mostrado que la masa del halo de materia oscura(M_halo)que rodea las galaxias y la masa estelar(M_stars) total parecen estar unidas. En el caso de galaxias como la Vía Láctea, con unas 5×10¹⁰ masas solares, tendríamos una razón de M_halo/M_stars ~ 30, mientras que en galaxias más masivas este valor puede llegar a ser el doble.  No obstante, en el artículo de hoy hablaremos de la primera galaxia (NGC1052-DF2) sin presencia de materia oscura.

Figura 1(figura 1 del artículo original) Imagen de NGC1052-DF2 usando el Telescopio Espacial Hubble con la Advance Camera for Survey. La posición de los diez cúmulos globulares está marcada en la imagen.

NGC1052-DF2 fue descubierta hace varios años y ha sido observada a lo largo de los años con diferentes telescopios tales como Dragonfly o Sloan Digital Sky Survey(SDSS). Para este estudio se  ha utilizado tanto los telescopios Keck para obtener espectroscopía como el Hubble Space Telescope(HST) para obtener imágenes.

Usando dichas imágenes se pudo medir varios parámetros físicos como la distancia, el índice de Sérsic, el brillo superficial central o el radio efectivo. A partir de esta información pudieron clasificar NGC1052-DF2 como una galaxia ultradifusa (UDG) que además contiene cúmulos globulares bajos en metalicidad. Posteriormente, determinaron la masa estelar utilizando dos métodos diferentes: el primero en usar un modelo de población sintética y ajustarlo a la galaxia. El segundo se basó en hacer una conversión entre la luminosidad de la galaxia y la masa. Con ambos métodos se ha obtenido que la masa estelar es de aproximadamente 2×10⁸ masas solares.

Usando los datos espectroscópicos descubrieron que había diez cúmulos globulares compactos (ver Figura 1) y luminosos asociados con la galaxia y se estudió la velocidad de estos viendo que la dispersión de velocidad entre los diez cúmulos está muy por debajo de estudios anteriores en otros objetos dentro del Grupo Local. Por otra parte, estos cúmulos son mucho más luminosos que la mayoría de cúmulos globulares.

Finalmente, se calculó la masa dinámica, es decir, la masa relacionada con la suma de la masa bariónica más la masa en forma de materia oscura y se obtuvo un valor de 3.4×10⁸ masas solares hasta una distancia de 7.6 kilopársecs. Esto quiere decir, que la contribución de la materia oscura es de 1.5×10⁸ masas solares mientras que el valor esperado de dicho halo de materia oscura debería ser de 6×10¹⁰ masas solares, es decir, unas 400 veces superior a lo encontrado. Por lo tanto, la conclusión final es que NGC1052-DF2 es una galaxia extremadamente deficiente en materia oscura, un buen candidato para ser una galaxia bariónica sin presencia de materia oscura.

Figura 2(Figure Extended Data Figure 1 en el paper original) NGC1052-DF2 en el campo de DragoFly. En la imagen de la izquierda tenemos todo el campo y en la de la derecha lo tenemos ampliado y centrado en NGC1052 con NGC1052-DF2 resaltada.

Teorías de formación

Se desconoce como la galaxia se formó y por tanto se barajan varias posibilidades:

• La primera es que que se formase a partir del gas expulsado tras la fusión de dos galaxias. Su posición cerca de una galaxia elíptica (ver Figura 2) así como su velocidad son buenos indicadores de ello. El relativo color azul sugiere un baja metalicidad como es esperable en este tipo de objetos.
• Una explicación alternativa es que se formó de gas de baja metalicidad que fue barrido por vientos de un quasar. La ausencia de materia oscura, su posición cerca la ya comentada galaxia elíptica masiva, su velocidad y su color son consistentes con este escenario, pero no está claro si el gran tamaño y la baja luminosidad superficial han sido producidas por este proceso.
• Una tecera opción es que la galaxia se haya formado por un flujo de gas que se fragmentó antes de alcanzar NGC 1052, una galaxia relativamente cercana. En este caso, la fragmentación podría haber sido provocada por los impactos del jet de la galaxia elíptica.

Repercusiones

Independientemente de como se haya formado NGC1052-DF2, su mera existencia tiene implicaciones para el paradigma de la materia oscura. Estos resultados demuestran que la materia oscura se puede separar de las galaxias, lo cual bajo ciertas circunstancias es esperable si la materia oscura esta ligada a la materia bariónica solamente por la fuerza de la gravedad. Esta galaxia nos muestra que la materia oscura no siempre coincide con las galaxias y es por tanto una substancia diferente. Además, la existencia de esta galaxia también es un contraargumento para teorías alternativas a la materia oscura como las teorías MOND y de paradigma gravitatorio en las que la materia oscura debería siempre ser detectada como una consecuencia inevitable de la presencia de materia bariónica.