Así como el sol tiene planetas y los planetas tienen lunas, nuestra galaxia tiene galaxias satélite, y algunos de ellos podrían tener sus propias galaxias satélite más pequeñas. Esto es, la Gran Nube de Magallanes (LMC), una galaxia satélite relativamente grande visible desde el hemisferio sur, se cree que trajo consigo al menos seis de sus propias galaxias satélite cuando se acercó por primera vez a la Vía Láctea, basado en mediciones recientes de la misión Gaia de la Agencia Espacial Europea.

Los astrofísicos creen que la materia oscura es responsable de gran parte de esa estructura, y ahora los investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y el Estudio de Energía Oscura se han basado en observaciones de galaxias débiles alrededor de la Vía Láctea para establecer restricciones más estrictas sobre la conexión entre el tamaño y la estructura de las galaxias y los halos de materia oscura que las rodean. . Al mismo tiempo, han encontrado más evidencia de la existencia de galaxias satélites LMC e hicieron una nueva predicción:si los modelos de los científicos son correctos, la Vía Láctea debería tener 150 o más galaxias satélites muy débiles en espera de ser descubiertas por proyectos de próxima generación como el Legacy Survey of Space and Time del Observatorio Vera C. Rubin.

El nuevo estudio, próximamente en el Diario astrofísico y disponible como preimpresión aquí, es parte de un esfuerzo mayor para comprender cómo funciona la materia oscura en escalas más pequeñas que nuestra galaxia, dijo Ethan Nadler, primer autor del estudio y estudiante de posgrado en el Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC) y la Universidad de Stanford.

"Sabemos muy bien algunas cosas sobre la materia oscura:cuánta materia oscura hay, cómo se agrupa, pero todas estas declaraciones se califican al decir, sí, así es como se comporta a escalas mayores que el tamaño de nuestro grupo local de galaxias, "Nadler dijo." Y luego la pregunta es, ¿Eso funciona en las escalas más pequeñas que podamos medir? "

Iluminando la luz de las galaxias sobre la materia oscura

Los astrónomos saben desde hace mucho tiempo que la Vía Láctea tiene galaxias satélites, incluida la Gran Nube de Magallanes, que se puede ver a simple vista desde el hemisferio sur, pero se pensaba que el número rondaba sólo una docena hasta alrededor del año 2000. Desde entonces, el número de galaxias satélite observadas ha aumentado drásticamente. Gracias a Sloan Digital Sky Survey y descubrimientos más recientes de proyectos como Dark Energy Survey (DES), el número de galaxias satélites conocidas ha aumentado a unas 60.

Tales descubrimientos son siempre emocionantes, pero lo que quizás sea más emocionante es lo que los datos podrían decirnos sobre el cosmos. "Por primera vez, podemos buscar estas galaxias satélite en aproximadamente tres cuartas partes del cielo, y eso es realmente importante para varias formas diferentes de aprender sobre la materia oscura y la formación de galaxias, "dijo Risa Wechsler, director de KIPAC. El año pasado, por ejemplo, Wechsler, Nadler y sus colegas utilizaron datos de galaxias satélites junto con simulaciones por computadora para establecer límites mucho más estrictos sobre las interacciones de la materia oscura con la materia ordinaria.

Ahora, Wechsler, Nadler y el equipo de DES están utilizando datos de una búsqueda exhaustiva en la mayor parte del cielo para hacer diferentes preguntas, incluida la cantidad de materia oscura que se necesita para formar una galaxia, cuántas galaxias satélite deberíamos esperar encontrar alrededor de la Vía Láctea y si las galaxias pueden poner sus propios satélites en órbita alrededor del nuestro, una predicción clave del modelo más popular de materia oscura.

Indicios de jerarquía galáctica

La respuesta a esa última pregunta parece ser un rotundo "sí".

La posibilidad de detectar una jerarquía de galaxias satélites surgió por primera vez hace algunos años cuando DES detectó más galaxias satélites en las proximidades de la Gran Nube de Magallanes de las que hubieran esperado si esos satélites estuvieran distribuidos aleatoriamente por todo el cielo. Esas observaciones son particularmente interesantes, Nadler dijo:a la luz de las medidas de Gaia, lo que indicó que seis de estas galaxias satélite cayeron en la Vía Láctea con la LMC.

Para estudiar los satélites de la LMC más a fondo, Nadler y su equipo analizaron simulaciones por computadora de millones de universos posibles. Esas simulaciones originalmente dirigido por Yao-Yuan Mao, un ex alumno de posgrado de Wechsler que ahora está en la Universidad de Rutgers, modelar la formación de la estructura de materia oscura que impregna la Vía Láctea, incluyendo detalles como grupos más pequeños de materia oscura dentro de la Vía Láctea que se espera alberguen galaxias satélites. Para conectar la materia oscura con la formación de galaxias, los investigadores utilizaron un modelo flexible que les permite tener en cuenta las incertidumbres en la comprensión actual de la formación de galaxias, incluida la relación entre el brillo de las galaxias y la masa de cúmulos de materia oscura dentro de los cuales se forman.

Un esfuerzo liderado por los demás en el equipo de DES, incluidos los ex alumnos de KIPAC Alex Drlica-Wagner, un Wilson Fellow en Fermilab y profesor asistente de astronomía y astrofísica en la Universidad de Chicago, y Keith Bechtol, profesor asistente de física en la Universidad de Wisconsin-Madison, y sus colaboradores produjeron el paso final crucial:un modelo de qué galaxias satélites es más probable que sean vistas por los estudios actuales, dado dónde se encuentran en el cielo, así como su brillo, tamaño y distancia.

Esos componentes en la mano, el equipo ejecutó su modelo con una amplia gama de parámetros y buscó simulaciones en las que objetos similares a LMC cayeran en la atracción gravitacional de una galaxia similar a la Vía Láctea. Al comparar esos casos con observaciones galácticas, podrían inferir una variedad de parámetros astrofísicos, incluyendo cuántas galaxias satélite deberían haberse marcado junto con la LMC. Los resultados, Nadler dijo:fueron consistentes con las observaciones de Gaia:actualmente se deberían detectar seis galaxias satélite en las proximidades de la LMC, moviéndose aproximadamente con las velocidades correctas y aproximadamente en los mismos lugares que los astrónomos habían observado previamente. Las simulaciones también sugirieron que el LMC se acercó por primera vez a la Vía Láctea hace unos 2.200 millones de años, coherente con las mediciones de alta precisión del movimiento del LMC del Telescopio Espacial Hubble.

Galaxias aún no vistas

Además de los hallazgos de LMC, el equipo también puso límites a la conexión entre los halos de materia oscura y la estructura de las galaxias. Por ejemplo, en simulaciones que se asemejan más a la historia de la Vía Láctea y la LMC, las galaxias más pequeñas que los astrónomos podrían observar actualmente deberían tener estrellas con una masa combinada de alrededor de cien soles, y aproximadamente un millón de veces más materia oscura. Según una extrapolación del modelo, las galaxias más débiles que jamás se hayan podido observar podrían formarse en halos hasta cien veces menos masivos que eso.

Y podría haber más descubrimientos por venir:si las simulaciones son correctas, Nadler dijo:hay alrededor de 100 galaxias satélites más, más del doble del número ya descubierto, flotando alrededor de la Vía Láctea. El descubrimiento de esas galaxias ayudaría a confirmar el modelo de los investigadores de los vínculos entre la materia oscura y la formación de galaxias. él dijo, y probablemente impongan restricciones más estrictas a la naturaleza de la materia oscura en sí.

La investigación fue un esfuerzo de colaboración dentro de Dark Energy Survey, dirigido por el Grupo de Trabajo de la Vía Láctea, con contribuciones sustanciales de miembros jóvenes, incluido Sidney Mau, un estudiante de la Universidad de Chicago, y Mitch McNanna, estudiante de posgrado en UW-Madison. La investigación fue apoyada por una beca de posgrado de la National Science Foundation, por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía a través de SLAC, y por la Universidad de Stanford.