Este gráfico ilustra cómo la luz de un cuásar lejano se ve alterada por una galaxia masiva en primer plano y por pequeños grupos de materia oscura a lo largo del camino de la luz. La poderosa gravedad de la galaxia deforma y magnifica la luz del cuásar, produciendo cuatro imágenes distorsionadas del cuásar. Los grupos de materia oscura residen a lo largo de la línea de visión del Telescopio Espacial Hubble hasta el cuásar, así como dentro y alrededor de la galaxia en primer plano. La presencia de grupos de materia oscura altera el brillo aparente y la posición de cada imagen de cuásar distorsionada al deformar y doblar ligeramente la luz a medida que viaja desde el cuásar distante a la Tierra. representado por las líneas onduladas en el gráfico. Los astrónomos compararon estas mediciones con predicciones de cómo se verían las imágenes de los cuásares sin la influencia de los cúmulos de materia oscura. Los investigadores utilizaron estas medidas para calcular las masas de las diminutas concentraciones de materia oscura. La materia oscura es una sustancia invisible que constituye la mayor parte de la masa del universo y crea el andamio sobre el que se construyen las galaxias. Las imágenes cuádruples de un cuásar son raras porque el cuásar de fondo y la galaxia en primer plano requieren una alineación casi perfecta. Crédito:NASA, ESA, y D. Player (STScI)
Al buscar materia oscura, los astrónomos deben emprender una especie de "caza de fantasmas". Eso es porque la materia oscura es una sustancia invisible que no se puede ver directamente. Sin embargo, constituye la mayor parte de la masa del universo y forma el andamio sobre el que se construyen las galaxias. La materia oscura es el "pegamento" gravitacional que mantiene unidos tanto a las galaxias como a los cúmulos de galaxias. Los astrónomos pueden detectar su presencia indirectamente midiendo cómo su gravedad afecta a las estrellas y galaxias.
La sustancia misteriosa no se compone de la misma materia que forma las estrellas, planetas y gente. Ese material es materia "bariónica" normal, que consta de electrones, protones, y neutrones. Sin embargo, La materia oscura podría ser una especie de partícula subatómica desconocida que interactúa débilmente con la materia normal.
Una teoría popular sostiene que las partículas de materia oscura no se mueven muy rápido, lo que hace que sea más fácil para ellos agruparse. Según esta idea, el universo contiene una amplia gama de concentraciones de materia oscura, de pequeño a grande.
Los astrónomos han detectado cúmulos de materia oscura alrededor de galaxias de tamaño grande y mediano. Ahora, utilizando Hubble y una nueva técnica de observación, Los astrónomos han descubierto que la materia oscura forma grupos mucho más pequeños de lo que se conocía anteriormente.
Los investigadores buscaron pequeñas concentraciones de materia oscura en los datos del Hubble midiendo cómo se ve afectada la luz de los cuásares lejanos a medida que viaja por el espacio. Los quásares son los núcleos brillantes alimentados por agujeros negros de galaxias muy distantes. Las imágenes del Hubble muestran que la luz de estas imágenes de cuásares está deformada y magnificada por la gravedad de las galaxias masivas en primer plano en un efecto llamado lente gravitacional. Los astrónomos utilizaron este efecto de lente para detectar los pequeños grupos de materia oscura. Los grupos se encuentran a lo largo de la línea de visión del telescopio hacia los quásares, así como dentro y alrededor de las galaxias con lentes en primer plano.
Cada una de estas instantáneas del Telescopio Espacial Hubble revela cuatro imágenes distorsionadas de un cuásar de fondo y su galaxia anfitriona que rodea el núcleo central de una galaxia masiva en primer plano. La gravedad de la galaxia masiva en primer plano actúa como una lupa al deformar la luz del cuásar en un efecto llamado lente gravitacional. Los quásares son farolas cósmicas extremadamente distantes producidas por agujeros negros activos. Estas imágenes cuádruples de cuásares son raras debido a la alineación casi exacta necesaria entre la galaxia de primer plano y el cuásar de fondo. Los astrónomos utilizaron el efecto de lente gravitacional para detectar los grupos más pequeños de materia oscura jamás encontrados. Los grupos se encuentran a lo largo de la línea de visión del telescopio hacia los quásares, así como dentro y alrededor de las galaxias con lentes en primer plano. La presencia de concentraciones de materia oscura altera el brillo aparente y la posición de cada imagen de cuásar distorsionada. Los astrónomos compararon estas mediciones con predicciones de cómo se verían las imágenes de los cuásares sin la influencia de los cúmulos de materia oscura. Los investigadores utilizaron estas medidas para calcular las masas de las diminutas concentraciones de materia oscura. La cámara de campo amplio 3 del Hubble capturó la luz del infrarrojo cercano de cada cuásar y la dispersó en los colores que la componen para estudiarla con espectroscopía. Las imágenes fueron tomadas entre 2015 y 2018. Crédito:NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) y T. Treu (UCLA)
Usando el telescopio espacial Hubble de la NASA y una nueva técnica de observación, Los astrónomos han descubierto que la materia oscura forma grupos mucho más pequeños de lo que se conocía anteriormente. Este resultado confirma una de las predicciones fundamentales de la teoría de la "materia oscura fría" ampliamente aceptada.
Todas las galaxias según esta teoría, se forman y están incrustados dentro de nubes de materia oscura. La materia oscura en sí consiste en movimientos lentos, o "frío, "partículas que se unen para formar estructuras que van desde cientos de miles de veces la masa de la Vía Láctea hasta grupos no más masivos que el peso de un avión comercial (en este contexto, "frío" se refiere a la velocidad de las partículas).
La observación de Hubble arroja nuevos conocimientos sobre la naturaleza de la materia oscura y cómo se comporta. "Hicimos una prueba de observación muy convincente para el modelo de materia oscura fría y pasa con gran éxito, "dijo Tommaso Treu de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), un miembro del equipo de observación.
La materia oscura es una forma invisible de materia que constituye la mayor parte de la masa del universo y crea el andamio sobre el que se construyen las galaxias. Aunque los astrónomos no pueden ver la materia oscura, pueden detectar su presencia indirectamente midiendo cómo su gravedad afecta a las estrellas y galaxias. Detectar las formaciones de materia oscura más pequeñas mediante la búsqueda de estrellas incrustadas puede ser difícil o imposible, porque contienen muy pocas estrellas.
Si bien se han detectado concentraciones de materia oscura alrededor de galaxias de tamaño grande y mediano, hasta ahora no se han encontrado grupos mucho más pequeños de materia oscura. En ausencia de evidencia observacional para estos grupos a pequeña escala, algunos investigadores han desarrollado teorías alternativas, incluida la "materia oscura cálida". Esta idea sugiere que las partículas de materia oscura se mueven rápidamente, avanzando demasiado rápido para fusionarse y formar concentraciones más pequeñas. Las nuevas observaciones no apoyan este escenario, encontrar que la materia oscura es "más fría" de lo que debería ser en la teoría alternativa de la materia oscura cálida.
"La materia oscura es más fría de lo que sabíamos a escalas más pequeñas, "dijo Anna Nierenberg del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, líder de la encuesta Hubble. "Los astrónomos han llevado a cabo otras pruebas de observación de las teorías de la materia oscura antes, pero el nuestro proporciona la evidencia más fuerte hasta ahora de la presencia de pequeños grupos de materia oscura fría. Combinando las últimas predicciones teóricas, herramientas estadísticas, y nuevas observaciones del Hubble, ahora tenemos un resultado mucho más sólido de lo que era posible anteriormente ".
La búsqueda de concentraciones de materia oscura desprovistas de estrellas ha demostrado ser un desafío. El equipo de investigación de Hubble, sin embargo, utilizaron una técnica en la que no necesitaban buscar la influencia gravitacional de las estrellas como trazadoras de materia oscura. El equipo apuntó a ocho potentes y distantes farolas cósmicas, "llamados cuásares (regiones alrededor de los agujeros negros activos que emiten enormes cantidades de luz). Los astrónomos midieron cómo la luz emitida por el oxígeno y el gas neón que orbita cada uno de los agujeros negros de los quásares es deformada por la gravedad de una galaxia masiva en primer plano, que actúa como una lupa.
Usando este método, el equipo descubrió grupos de materia oscura a lo largo de la línea de visión del telescopio hacia los quásares, así como dentro y alrededor de las galaxias con lentes intermedias. Las concentraciones de materia oscura detectadas por Hubble son 1/10, 000 a 1/100, 000 veces la masa del halo de materia oscura de la Vía Láctea. Muchas de estas pequeñas agrupaciones probablemente no contienen ni siquiera pequeñas galaxias, y por lo tanto habría sido imposible de detectar con el método tradicional de buscar estrellas incrustadas.
Los ocho quásares y galaxias estaban alineados con tanta precisión que el efecto de deformación, llamado lente gravitacional, produjo cuatro imágenes distorsionadas de cada cuásar. El efecto es como mirar un espejo de la casa de la risa. Estas imágenes cuádruples de cuásares son raras debido a la alineación casi exacta necesaria entre la galaxia de primer plano y el cuásar de fondo. Sin embargo, los investigadores necesitaban las múltiples imágenes para realizar un análisis más detallado.
La presencia de grupos de materia oscura altera el brillo aparente y la posición de cada imagen de cuásar distorsionada. Los astrónomos compararon estas mediciones con predicciones de cómo se verían las imágenes de cuásares sin la influencia de la materia oscura. Los investigadores utilizaron las medidas para calcular las masas de las diminutas concentraciones de materia oscura. Para analizar los datos, los investigadores también desarrollaron elaborados programas informáticos y técnicas intensivas de reconstrucción.
"Imagina que cada una de estas ocho galaxias es una lupa gigante, ", explicó el miembro del equipo Daniel Gilman de UCLA." Los pequeños grupos de materia oscura actúan como pequeñas grietas en la lupa, alterando el brillo y la posición de las cuatro imágenes de cuásar en comparación con lo que esperaría ver si el vidrio fuera liso ".
Los investigadores utilizaron la cámara de campo amplio 3 del Hubble para capturar la luz del infrarrojo cercano de cada cuásar y dispersarla en los colores que la componen para estudiarla con espectroscopia. Las emisiones únicas de los cuásares de fondo se ven mejor con luz infrarroja. "Las observaciones del Hubble desde el espacio nos permiten realizar estas mediciones en sistemas de galaxias que no serían accesibles con la resolución más baja de los telescopios terrestres, y la atmósfera de la Tierra es opaca a la luz infrarroja que necesitábamos observar, ", explicó el miembro del equipo Simon Birrer de UCLA.
Treu agregó:"Es increíble que después de casi 30 años de operación, Hubble está permitiendo vistas de vanguardia sobre la física fundamental y la naturaleza del universo que ni siquiera soñamos cuando se lanzó el telescopio ".
Las lentes gravitacionales se descubrieron mediante el tamizado a través de estudios terrestres como el Sloan Digital Sky Survey y el Dark Energy Survey, que proporcionan los mapas tridimensionales más detallados del universo jamás creados. Los quásares se encuentran aproximadamente a 10 mil millones de años luz de la Tierra; las galaxias en primer plano, alrededor de 2 mil millones de años luz.
La cantidad de pequeñas estructuras detectadas en el estudio ofrece más pistas sobre la naturaleza de la materia oscura. "Las propiedades de las partículas de la materia oscura afectan la cantidad de grumos que se forman, ", Explicó Nierenberg." Eso significa que puedes aprender sobre la física de partículas de la materia oscura contando el número de pequeños grupos ".
Sin embargo, el tipo de partícula que forma la materia oscura sigue siendo un misterio. "En el presente, no hay evidencia directa en el laboratorio de que existan partículas de materia oscura, "Dijo Birrer." Los físicos de partículas ni siquiera hablarían sobre la materia oscura si los cosmólogos no dijeran que está allí, basado en observaciones de sus efectos. Cuando los cosmólogos hablamos de materia oscura, estamos preguntando '¿Cómo gobierna la apariencia del universo, ¿y en qué escalas? '"
Los astrónomos podrán realizar estudios de seguimiento de la materia oscura utilizando los futuros telescopios espaciales de la NASA, como el telescopio espacial James Webb y el telescopio de investigación infrarroja de campo amplio (WFIRST). ambos observatorios de infrarrojos. Webb será capaz de obtener de manera eficiente estas medidas para todos los cuásares de lentes cuádruples conocidos. La nitidez y el gran campo de visión de WFIRST ayudarán a los astrónomos a realizar observaciones de toda la región del espacio afectada por el inmenso campo gravitacional de galaxias masivas y cúmulos de galaxias. Esto ayudará a los investigadores a descubrir muchos más de estos raros sistemas.
El equipo presentará sus resultados en la 235a reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Honolulu, Hawai.
