Hello darkness, my old friend: la materia oscura y las galaxias tempranas

• Título original: Around the Spindle galaxy: the dark halo mass of NGC3115
• Autores: I. D. Karachentsev, L. N. Makarova, G. S. Anand, R. B. Tully
• Institución del primer autor: Observatorio Astrofísico Especial, Academia Rusa de Ciencias.
• Estado de la publicación: Aceptado para su publicación en The Astronomical Journal, acceso abierto en arXiv. 

El origen del misterio

En 1933, el científico suizo Fritz Zwicky observó que las velocidades de rotación de las galaxias del Cúmulo de Coma era mucho más alta que lo esperado: si se asume que la masa de la galaxia está principalmente concentrada en las estrellas, la distribución de la cantidad de luz (o luminosidad) de la galaxia funciona como una aproximación de la distribución de la masa. En las galaxias observadas, la distribución de luz sugería que la velocidad de rotación debería disminuir al alejarse del centro de la galaxia, pero en cambio se observó que se mantenía constante (Figura 1).

Para explicar este fenómeno, Zwicky propuso que existe un tipo de materia, diferente a la materia que forma las estrellas (por eso llamada materia visible). Este nuevo tipo de materia fue llamado materia oscura, y por las velocidades de rotación observadas se sabe que debe estar concentrada en las zonas más externas de las galaxias, llamadas halo.

A partir de ese momento, un nuevo problema surgió para las y los astrónomos, ¿cómo medir algo que no podemos ver? La respuesta es a través de la gravedad, y eso es lo que hicieron los autores del artículo de hoy.

La comitiva de la galaxia de Spindle

Así como la Luna es un satélite natural de nuestro planeta Tierra, las galaxias también tienen satélites: “pequeñas” galaxias orbitando alrededor de ellas. Por ejemplo, las Nubes de Magallanes son satélites de nuestra propia Vía Láctea. Dado que son mantenidas en su sitio a través de la fuerza gravitacional, estas galaxias satélites son entonces una buena manera de estimar la masa total de la galáxia a la cual orbitan.

Los autores usaron imágenes obtenidas por el Telescopio Espacial Hubble para buscar satélites de la galaxia de Spindle (o más formalmente, NGC 3115), una galaxia de tipo lenticular según la clasificación de Hubble, con un gran número de galaxias más pequeñas orbitando a su alrededor. Los autores lograron medir nuevamente y refinar la distancia a 5 galaxias satélites conocidas haciendo uso del llamado método de punta de la rama de la gigante roja (TRGB, por sus siglas en inglés), y además confirmar 5 nuevos satélites, unas galaxias enanas se encuentran orbitando en torno a la galaxia principal (Figura 3).

Una vez obtenidas las propiedades de todas las galaxias satélites, un total de 27, los autores utilizaron el teorema del virial para determinar la masa de la galaxia de Spindle. Este teorema, propuesto por primera vez por Rudolf Clausius en 1870, se aplica a sistemas estables. Un sistema es estable si luego de evolucionar por mucho tiempo, los componentes del sistema siguen ligados entre sí. Por ejemplo, la Luna y la Tierra forman un sistema estable, puesto que sin la acción de un cuerpo externo, los dos cuerpos continuarán juntos indefinidamente. Para este tipo de sistemas, el teorema propone que la energía cinética promediada en el tiempo es la mitad de la energía potencial, en este caso gravitatoria.

Además, los autores obtuvieron el llamado radio del virial, que sirve como una aproximación a la distancia límite a la cuál pueden estar los satélites para que el sistema siga siendo estable, si toda su masa estuviera concentrada en un punto en el centro. Estos resultados pueden ser vistos en la Figura 4.

Con estos datos, los autores pueden realizar una comparación del contenido de masa oscura de distintos tipos de galaxias. Si se observa la proporción entre masa total (visible + oscura) y luminosidad (relacionada a la masa visible) las galaxias espirales como nuestra Vía Láctea presentan valores que son aproximadamente la mitad de los medidos para la galaxia de Spindle, que dicho sea de paso, coincide con mediciones tomadas en otras galaxias tempranas. Esto quiere decir que galaxias tempranas, de tipo elíptico o lenticular, caracterizadas por la ausencia de gas usado para formar nuevas estrellas, presentan mucha más masa oscura que galaxias espirales de igual tamaño, que contienen mucho gas y continúan formando estrellas. ¿Por qué? Lamentablemente aún no tenemos una respuesta teórica para esto.

Para finalizar, quiero centrarme en la última frase de los autores, donde vuelven a recordar que todavía no tenemos una explicación para estas diferencias de contenido de materia oscura entre distintos tipos de galaxias. A primera vista esta afirmación puede resultar un poco incómoda, pero todo lo contrario, ¡tomémosla como una invitación a seguir explorando el misterio de la materia oscura!

Crédito de la imagen destacada: NASA/CXC/Univ. of Alabama/K.Wong et al, Optical: ESO/VLT