Buscando estructura en la materia oscura con lentes gravitacionales

• Título: Through a Smoother Lens: An expected absence of LCDM substructure detections from hydrodynamic and dark matter only simulations
• Autores: Andrew S. Graus, James S. Bullock, Michael Boylan-Kolchin, Anna M. Nierenberg
• Institución del primer autor: Dept. of Physics and Astronomy, University of California, Irvine, USA
• Estado: Enviado a The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (acceso abierto)
• Astrobite original: Looking for structure in dark matter with gravitational lensing, por Nora Shipp.

La naturaleza de la materia oscura sigue siendo un misterio, pero los científicos no se rinden fácilmente. En cambio, están proponiendo nuevas técnicas para aprender todo lo que podamos sobre esta sustancia misteriosa. Astrobitos previos han descrito la búsqueda directa de partículas de materia oscura en el laboratorio Canfranc, o el efecto de cúmulos de materia oscura siendo engullidos por agujeros negros supermasivos. Hoy aprenderemos acerca de un método usado para buscar estas partículas invisibles que hace uso del fenómeno de lentes gravitacionales. [N. de la T.: hemos proveído al lector con ejemplos de nuestro sitio en Español en este párrafo.]

Las lentes gravitacionales no son tan diferentes de las lentes de vidrio que usamos aquí en la Tierra. La diferencia principal es que no es la sustancia la que causa la deflexión de la luz, sino el mismo campo gravitacional que la rodea. A medida que un rayo de luz pasa a través de un campo gravitacional, éste es desviado y re-enfocado (Figura 1). Durante este proceso, la luz proveniente de objetos distantes como galaxias, estrellas y planetas, puede ser distorsionada y magnificada. Los halos de materia oscura son la lente gravitacional ideal. Estos son enormemente masivos, tienen campos gravitacionales poderosos y no producen luz por sí mismos. Mejor aún, cuando los halos de materia oscura alteran el recorrido de la luz, ¡revelan información acerca de sí mismos!

Figura 1. Un ejemplo de lente gravitacional. Las galaxias distantes son distorsionadas y magnificadas dado que la luz proveniente de ellas es desviada por el campo gravitacional del halo de materia oscura. Crédito: NASA/ESA

Los halos de materia oscura no son nubes homogéneas, son aglomeraciones de pequeños cúmulos de materia oscura (Figura 2). Cuando un halo grande actúa como lente gravitacional, podemos ver exactamente cómo la luz ha sido refractada y tratar de elucidar la estructura interna de ese halo, es decir, cuántos halos más pequeños lo conforman. Esto es importante debido a que diferentes teorías sobre la naturaleza de la materia oscura predicen diferentes números de halos de baja masa. Si pudiéramos contarlos, podríamos progresar en nuestro entendimiento de la materia oscura. El problema es que estos halos de baja masa son demasiado pequeños para contener sus propias galaxias, por lo que, al contrario de halos más grandes, son completamente invisibles. Ésta es la razón por la cual necesitamos de las lentes gravitacionales en nuestras investigaciones.

Figura 2. Éste es un extracto de la simulación que se usa en el trabajo de hoy. Las regiones brillantes son regiones de alta densidad de materia oscura. La materia oscura forma una red complicada de halos conectados a y embebidos en otros halos. Crédito: The Illustris Collaboration

Para que las observaciones de lentes gravitacionales nos den información acerca de la naturaleza de la materia oscura, tenemos que tener una expectativa clara acerca del número de halos predichos por cada teoría. El trabajo que discutimos hoy usa simulaciones para obtener esta estimación. Los autores toman halos de materia oscura simulados y realizan predicciones para las observaciones mirando a cada halo desde una dirección determinada y contando cuántos halos más pequeños se encuentran suficientemente cerca para afectar el paso de la luz a través de la lente gravitacional. Repiten este procedimiento para varias direcciones y varios halos.

El inconveniente es que, en verdad, las simulaciones no son perfectas. Son una representación simplificada del Universo en el que vivimos. Las galaxias son sistemas grandes y complicados constituidos por otros sistemas más pequeños pero también complicados  y lleva muchísimo tiempo para que una computadora pueda simular todos los procesos relacionados al mismo tiempo. Sería mucho más fácil simular un gran número de galaxias con sus halos de baja masa si pudiéramos de alguna manera olvidarnos de procesos relacionados con la materia bariónica, tales como la formación de estrellas, y enfocarnos simplemente en las interacciones gravitacionales de la materia oscura.  Un aspecto importante del trabajo de hoy es la comparación de simulaciones puramente de materia oscura con aquellas que incluyen los efectos de la física bariónica.

Resulta que la física bariónica tiene un efecto muy importante en las predicciones. Incluso una galaxia que vive apaciblemente en el centro de un halo de materia oscura puede desestabilizar y destruir halos de baja masa, reduciendo su número. El panel izquierdo de la Figura 3 muestra la diferencia entre el número predicho de halos de baja masa por simulaciones con y sin bariones, y el panel de la derecha muestra el resultado principal del trabajo: el número predicho de halos de baja masa que podrían observarse a través de una única lente gravitacional. Este número es bastante pequeño. En una 95% de los casos, no esperamos ver ningún halo de baja masa en absoluto. Esto significa que necesitaremos cientos de lentes gravitacionales para poder decir algo al respecto de la abundancia de halos de baja masa. Por suerte, eso no es tan difícil.

Figura 3. Izquierda: El número de halos de materia oscura como función de la distancia al centro del halo central más grande. La curva negra proviene de una simulación de materia oscura pura, mientras que la curva magenta proviene de una simulación con bariones. El número de halos de materia oscura decrece sustancialmente cuando se tiene en cuenta la física de las galaxias. Derecha: La distribución de el número por unidad de área de halos de baja masa. La barra en cero sugiere que un gran número de las observaciones (~85-95%) no encontraría ningún halo. Fuente: Figuras 3 y 4 del trabajo.

Observaciones actuales y futuras deberían proveernos un gran número de lentes gravitacionales. El Dark Energy Survey, actualmente en funcionamiento, debería descubrir un par de miles, y telescopios como LSST y Euclid podrían observar cientos de miles. Este gran salto en el número de observaciones, junto con mejoras continuas en las simulaciones de las galaxias, con física real y compleja, nos permitirá en el futuro buscar halos de baja masa invisibles y si tenemos suerte, nos enseñará cosas nuevas e inesperadas acerca de la naturaleza de la materia oscura.