¿Cuánto pesa la Vía Láctea?

• Título del artículo original: “The mass of the Milky Way from satellite dynamics“
• Autores: Thomas Callingham, Marius Cautun, Alis J. Deason, Carlos S. Frenk, Wenting Wang, Facundo A. Gómez, Robert J. J. Grand, Federico Marianacci, Rüdiger Pakmor
• Institución del primer autor: Institute of Computational Cosmology, University of Durham, UK.
• Estado de la publicación: Enviado a MNRAS, acceso abierto en arXiv.
• Astrobite original: How heavy is our Galaxy?, por Nora Shipp

Pesar nuestra Galaxia es una tarea difícil. La Vía Láctea es un complicado lío de estrellas y gases, y, para hacer las cosas aún más difíciles, la mayoría de nuestra Galaxia es invisible en forma de materia oscura (Figura 1). El artículo de hoy indica que los cálculos actuales de la masa varían desde aproximadamente 500 billones hasta 2.5 trillones de veces la masa de nuestro sol. La diferencia entre estos dos enormes números es solo un factor de unos pocos, pero una medición precisa de la masa de la Galaxia es esencial para comprender la física de la formación de galaxias y para desentrañar misterios cosmológicos fundamentales como la naturaleza de la materia oscura.

Figura 1. La Vía Láctea es un sistema complicado con muchos componentes diferentes. Además de los componentes estelares que se muestran en esta ilustración, toda la galaxia está envuelta en una nube de materia oscura invisible. (Fuente: ESA)

Este número es muy importante de precisar porque nuestra Galaxia es un laboratorio único para estudiar los misterios del Universo. Es la única galaxia que podemos observar de cerca, y por lo tanto, recolectamos información detallada sobre la estructura de una galaxia y los complicados procesos físicos que ocurren dentro de ella. Esta instantánea de una sola galaxia se puede generalizar a teorías físicas generales cuando se combina con observaciones de galaxias distantes y se compara con predicciones teóricas de simulaciones numéricas. Sin embargo, esta generalización depende de nuestra capacidad para ubicar la Vía Láctea en el contexto de la población general de galaxias, y esto requiere una medición precisa de la masa de nuestra Galaxia.

Entonces, ¿cómo es posible pesar un Galaxia desde adentro? Los autores del trabajo de hoy miden la masa de la Vía Láctea basándose en los movimientos de las galaxias satélite que la orbitan (Figura 2). Al igual que podemos usar las velocidades orbitales de los planetas de nuestro sistema solar, junto con la ley de gravitación de Newton, para inferir la masa del Sol, podemos usar medidas de las órbitas de pequeñas galaxias satélite alrededor de la Vía Láctea para pesar nuestra Galaxia .

Figura 2. Las galaxias como la Vía Láctea están orbitadas por galaxias satélite más pequeñas. Las órbitas de estos satélites se pueden usar para determinar la masa de la galaxia central. (Fuente: Boris Štromar.)

Aunque el concepto general es el mismo, pesar una galaxia es mucho más desordenado que pesar una estrella. La masa en la Vía Láctea se extiende a lo largo de un gran volumen, lo que complica el cálculo. En lugar de calcular la masa analíticamente, los autores aprovechan las complejas simulaciones de formación de galaxias. Al comparar la distribución de las órbitas de las galaxias satélite en la Vía Láctea con las de las galaxias simuladas de varias masas, fueron capaces de restringir  la masa de la Vía Láctea.

En particular, los autores utilizan la energía y el momento angular de las galaxias satélite, calculados a partir de las mediciones de sus posiciones y velocidades. Aprovecharon el poderoso nuevo conjunto de datos Gaia DR2 lanzado en abril para obtener las velocidades de las galaxias satélite. En el otro extremo, determinaron la distribución teórica de las energías y los momentos angulares (en función de la masa de las galaxias) basados en las simulaciones EAGLE de vanguardia (Evolución y ensamblaje de GaLaxies y sus entornos). Luego compararon los valores medidos con las predicciones teóricas para determinar estadísticamente la masa de la Vía Láctea.

Figura 3. Los autores encontraron que la masa de la Vía Láctea es aproximadamente 1 billón (10^12) veces la masa del sol. Cada una de las líneas de colores muestra el valor determinado en función de la órbita de una galaxia satélite única. La línea negra muestra la medición combinada. Agregar aún más galaxias satélite al cálculo mejoraría aún más la medición. (Fuente: figura 5 en el artículo).

Los autores usan un truco más inteligente para obtener una medición aún más precisa. Las simulaciones numéricas requieren una gran cantidad de potencia computacional, por lo que el número de galaxias simuladas es limitado. Esto significa que las simulaciones EAGLE contienen un número relativamente pequeño de galaxias con masas similares a la Vía Láctea. Sin embargo, incluso para cierta masa de galaxias hay una variación significativa en el comportamiento de las galaxias satélite, por lo que las predicciones precisas requieren una muestra grande. Para aumentar su tamaño de muestra, los autores utilizan el hecho de que las energías y los momentos de los satélites siguen una relación simple con la masa de la galaxia: ambos son proporcionales a M^(2 / 3). Las propiedades del satélite pueden, por lo tanto, ajustarse para corresponder a diferentes masas, aumentando el tamaño de la muestra. Este simple truco permite una muestra más grande de galaxias realísticamente simuladas en un rango de masas para compararlas con las propiedades de los satelites de la Vía Láctea.

Figura 4. Una comparación entre la medición de la masa de la Vía Láctea en el artículo de hoy (triángulo negro) y mediciones anteriores. Esta figura ilustra el rango de valores y la incertidumbre de cada medición. Las barras de error en la medición en el documento de hoy son mucho más pequeñas que las de muchas mediciones anteriores. (Fuente: figura 7 en el documento).

Este ingenioso método, combinado con datos de última generación y poderosas simulaciones permitió a los autores obtener una medición de la masa de la Vía Láctea de aproximadamente 1 billón de veces la masa del sol, ¡con una incertidumbre de solo el 20% (Figura 3)! El número está dentro del rango de mediciones alternativas, pero es más preciso que la mayoría de los valores anteriores (Figura 4). Esta medición continuará mejorando a medida que más galaxias satélite se midan e incluyan con precisión en el cálculo. A medida que la masa de nuestra galaxia este mejor determinada, seremos capaces de imponer restricciones más fuertes a las teorías físicas, incluido el papel de la retroalimentación en la formación de galaxias, el número previsto de galaxias satélite alrededor de la Vía Láctea y la naturaleza de la materia oscura.