El modelo estándar se da contra una barra

• Título del artículo original: Fast galaxy bars continue to challenge standard cosmology.
• Autoras/res: Mahmood Roshan, Neda Ghafourian, Tahere Kashfi, Indranil Banik, Moritz Haslbauer, Virginia Cuomo, Benoit Famaey, Pavel Kroupa.
• Institución del primer autor: Ferdowsi University of Mashhad, Iran.
• Estado de la publicación: publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Este artículo ha sido escrito por una invitada, Elena Asencio Pérez. Acerca de Elena Asencio Pérez: Soy una estudiante de doctorado en la Universidad de Bonn. Mis proyectos de investigación consisten en probar y comparar distintos modelos cosmológicos a escalas de galaxias y cúmulos de galaxias.

Si miras un modelo de la Vía Láctea posando de frente (Fig. 1), te darás cuenta que nuestra galaxia no es tan solo un amasijo de polvo, gas y estrellas, sino que presenta una cierta estructura. El brillante bulbo central y los brazos espirales son tal vez sus partes más llamativas, pero la Vía Láctea también contiene una estructura muy importante conocida como “barra”. Las barras consisten en agregaciones densas de estrellas que se distribuyen elongadamente, pasando por el centro de la galaxia y terminando allí donde empiezan a formarse los brazos espirales. Aquellas galaxias que incluyen barras son conocidas como espirales barradas. El artículo de hoy nos hace mirar estas galaxias con renovado aprecio, ya que muestra como las barras galácticas pueden servir para probar la existencia de uno de los componentes más elusivos del modelo estándar: la materia oscura.

La inclusión de la materia oscura en el modelo estándar estuvo motivada originalmente por un descubrimiento muy curioso: las estrellas en las afueras de las galaxias tienen una velocidad circular que es demasiado alta como para que permanezcan unidas a la galaxia – dada la atracción gravitatoria que la masa visible de la galaxia ejerce sobre ellas. La solución a la que la comunidad científica llegó para explicar este fenómeno es que hay más masa en las galaxias de la que observamos, por lo que la atracción gravitatoria hacia estas estrellas es más fuerte de lo que uno esperaría. Este sería el motivo por el que estas estrellas tan rápidas no han podido escapar de la galaxia. En otras palabras, los astrónomos asumieron la existencia de un nuevo tipo de materia que no absorbe, refleja o emite luz y es, por lo tanto “materia oscura”. Pero entonces, ¿cómo podemos detectar materia que no podemos ver?

Fricción dinámica en las barras galácticas: probando la presencia de materia oscura en galaxias.

Aunque la materia oscura no interactúe con la fuerza electromagnética, sí que interactúa gravitacionalmente con la materia bariónica (observable). En el caso de las barras galácticas, esto implica que, al desplazarse en un medio dominado por materia oscura, el movimiento de las barras se verá ralentizado por la fuerza de arrastre que las partículas de materia oscura están ejerciendo sobre ellas. Este efecto se conoce como fricción dinámica (Fig. 2).

Debido a la fracción dinámica, se espera que las barras galácticas se muevan más despacio si, efectivamente, se encuentran inmersas en un mar de materia oscura. Pero más despacio… ¿respecto a qué? Debido a su mayor masa, la fricción dinámica afecta más a las barras galácticas que a las estrellas moviéndose individualmente alrededor de la galaxia. En el artículo, los autores proponen un método para determinar la velocidad relativa de las barras galácticas basado en este hecho.

Primero, miden el radio (desde el centro de la galaxia) a partir del cual las estrellas se mueven a la misma velocidad circular que las estrellas que están más allá de la barra (el radio de co-rotación). Después, comparan el radio de co-rotación con el radio de la propia barra. Si el efecto de la fricción dinámica es menospreciable, el radio de co-rotación será prácticamente igual al radio de la barra. Pero, si hay fricción dinámica en la barra causada por la presencia de materia oscura, el patrón de velocidad de la barra (ratio entre la velocidad circular y el radio en cada punto de la barra) será más lento y, por lo tanto, el radio de co-rotación será mayor que el radio de la barra en este caso.

Pero, ¿hasta qué punto afecta la materia oscura a la posición del radio de co-rotación? Para responder a esa pregunta, los autores buscaron galaxias espirales barradas en varias simulaciones cosmológicas programadas según las leyes del modelo estándar. Obteniendo sus propiedades de velocidad circular y patrón de velocidad, pudieron hacer una clara comparación entre el radio de co-rotación (respecto al radio de la barra) dado por las observaciones y aquel que uno esperaría obtener en el modelo estándar. La Figura 3 muestra este ratio (radio de co-rotación / radio de la barra) en las observaciones y en varias simulaciones cosmológicas.

Queda claro, pues, que el modelo estándar predice un patrón de velocidad para las barras galácticas que es mucho más lento de lo que las observaciones indican. No solo eso, sino que, además, las observaciones muestran que el ratio entre el radio de co-rotación y el radio de la barra es aproximadamente uno, justo lo que uno esperaría obtener en un sistema en el que no hay fricción dinámica.

Las predicciones del modelo estándar fallan (de largo) en reproducir las observaciones. ¿Ahora qué?

Los autores consideran la posibilidad de que las observaciones aún puedan reconciliarse con el modelo estándar si la materia oscura resulta tener propiedades que supriman la fricción dinámica a escalas galácticas. Pero, a día de hoy, todos los modelos alternativos en los cuales la materia oscura satisface esta propiedad parecen tener problemas adicionales en otras áreas.

Otra opción a tener en cuenta es que, tal vez, las galaxias no tienen un halo de materia oscura. La alternativa más popular a la hipótesis de la materia oscura son las teorías de gravedad extendida. En estas teorías, la gravedad experimenta un aumento en su fuerza en el límite de bajas aceleraciones (p. ej., lejos del centro de la galaxia). Por ello, la atracción gravitatoria que experimentan los objetos en las afueras de la galaxia es más fuerte de lo que predice el modelo gravitatorio clásico (gravedad Newtoniana). Esto les permite orbitar a altas velocidades sin escapar del sistema. Aunque las teorías de gravedad extendida predicen directamente que las barras galácticas deberían moverse libres de fricción dinámica, aún se necesitan simulaciones cosmológicas de estos modelos (con una resolución suficientemente alta) para comprobar si también son capaces de reproducir otras propiedades de las barras (p. ej., fuerza, longitud, etc.).

Estas simulaciones están todavía en fase de desarrollo, pero será muy emocionante descubrir si el tipo de universo que describen es capaz de reproducir las observaciones en mayor o en menor medida que el universo del actual modelo estándar. Después de todo, tal y como indican los autores, el modelo estándar ya ha sufrido varias derrotas en distintos frentes: los planos de satélites, la tensión de Hubble, las observaciones de super vacíos y super cúmulos y, ahora, las barras galácticas también. Es por ello que continuar investigando estos modelos alternativos parece ahora el camino más sensato a seguir.