Esta imagen del telescopio espacial Hubble de NASA / ESA muestra el cúmulo masivo de galaxias MACSJ 1206. Incrustadas dentro del cúmulo están las imágenes distorsionadas de galaxias distantes de fondo, visto como arcos y rasgos manchados. Estas distorsiones son causadas por la materia oscura en el cúmulo, cuya gravedad dobla y magnifica la luz de galaxias lejanas, un efecto llamado lente gravitacional. Este fenómeno permite a los astrónomos estudiar galaxias remotas que de otro modo serían demasiado débiles para ver. Crédito:NASA, ESA, G. Caminha (Universidad de Groningen), M. Meneghetti (Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia), P. Natarajan (Universidad de Yale), el equipo CLASH, y M. Kornmesser (ESA / Hubble)
Las observaciones del Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA y el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en Chile han encontrado que algo puede faltar en las teorías sobre cómo se comporta la materia oscura. Este ingrediente faltante puede explicar por qué los investigadores han descubierto una discrepancia inesperada entre las observaciones de las concentraciones de materia oscura en una muestra de cúmulos de galaxias masivas y las simulaciones teóricas por computadora de cómo debería distribuirse la materia oscura en cúmulos. Los nuevos hallazgos indican que algunas concentraciones de materia oscura a pequeña escala producen efectos de lente que son 10 veces más fuertes de lo esperado.
La materia oscura es el pegamento invisible que mantiene las estrellas, polvo, y gas juntos en una galaxia. Esta misteriosa sustancia constituye la mayor parte de la masa de una galaxia y forma la base de la estructura a gran escala de nuestro Universo. Porque la materia oscura no emite, absorber, o reflejar la luz, su presencia solo se conoce a través de su atracción gravitacional sobre la materia visible en el espacio. Los astrónomos y físicos todavía están tratando de precisar qué es.
Cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas y recientemente ensambladas del Universo, son también los mayores depósitos de materia oscura. Los cúmulos están compuestos por galaxias miembros individuales que se mantienen unidas en gran parte por la gravedad de la materia oscura.
"Los cúmulos de galaxias son laboratorios ideales para estudiar si las simulaciones numéricas del Universo que están disponibles actualmente reproducen bien lo que podemos inferir de las lentes gravitacionales, "dijo Massimo Meneghetti del INAF-Observatorio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Bolonia en Italia, el autor principal del estudio.
"Hemos realizado muchas pruebas de los datos de este estudio, y estamos seguros de que este desajuste indica que falta algún ingrediente físico en las simulaciones o en nuestra comprensión de la naturaleza de la materia oscura, "añadió Meneghetti.
"Hay una característica del Universo real que simplemente no capturamos en nuestros modelos teóricos actuales, "añadió Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale en Connecticut, NOSOTROS., uno de los teóricos más experimentados del equipo. "Esto podría indicar una brecha en nuestra comprensión actual de la naturaleza de la materia oscura y sus propiedades, ya que estos exquisitos datos nos han permitido sondear la distribución detallada de la materia oscura en las escalas más pequeñas ".
La distribución de la materia oscura en cúmulos se mapea midiendo la curvatura de la luz (el efecto de lente gravitacional) que producen. La gravedad de la materia oscura concentrada en cúmulos aumenta y distorsiona la luz de los objetos distantes del fondo. Este efecto produce distorsiones en las formas de las galaxias de fondo que aparecen en las imágenes de los cúmulos. La lente gravitacional a menudo también puede producir múltiples imágenes de la misma galaxia distante.
Cuanto mayor sea la concentración de materia oscura en un cúmulo, cuanto más dramático es su efecto de flexión de la luz. La presencia de cúmulos de materia oscura a menor escala asociados con los cúmulos de galaxias individuales aumenta el nivel de distorsiones. En algún sentido, el cúmulo de galaxias actúa como una lente a gran escala que tiene muchas lentes más pequeñas incrustadas en su interior.
Las imágenes nítidas del Hubble fueron tomadas por la cámara de campo amplio 3 y la cámara avanzada para encuestas del telescopio. Junto con los espectros del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral, el equipo produjo un alta fidelidad, mapa de materia oscura. Midiendo las distorsiones de las lentes, los astrónomos pudieron rastrear la cantidad y distribución de materia oscura. Los tres cúmulos de galaxias clave, MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, y Abell S1063, fueron parte de dos encuestas de Hubble:The Frontier Fields y la encuesta Cluster Lensing And Supernova con los programas Hubble (CLASH).
This Hubble Space Telescope image shows the massive galaxy cluster MACSJ 1206. Embedded within the cluster are the distorted images of distant background galaxies, seen as arcs and smeared features. These distortions are caused by the dark matter in the cluster, whose gravity bends and magnifies the light from faraway galaxies, un efecto llamado lente gravitacional. This phenomenon allows astronomers to study remote galaxies that would otherwise be too faint to see. Astronomers measured the amount of gravitational lensing caused by this cluster to produce a detailed map of the distribution of dark matter in it. Dark matter is the invisible glue that keeps stars bound together inside a galaxy and makes up the bulk of the matter in the Universe. The Hubble image is a combination of visible- and infrared-light observations taken in 2011 by the Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3. Credit:NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), and the CLASH team.
To the team's surprise, in addition to the dramatic arcs and elongated features of distant galaxies produced by each cluster's gravitational lensing, the Hubble images also revealed an unexpected number of smaller-scale arcs and distorted images nested near each cluster's core, where the most massive galaxies reside. The researchers believe the nested lenses are produced by the gravity of dense concentrations of matter inside the individual cluster galaxies. Follow-up spectroscopic observations measured the velocity of the stars orbiting inside several of the cluster galaxies to therby pin down their masses.
"The data from Hubble and the VLT provided excellent synergy, " shared team member Piero Rosati of the Università degli Studi di Ferrara in Italy, who led the spectroscopic campaign. "We were able to associate the galaxies with each cluster and estimate their distances."
"The speed of the stars gave us an estimate of each individual galaxy's mass, including the amount of dark matter, " added team member Pietro Bergamini of the INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science in Bologna, Italia.
By combining Hubble imaging and VLT spectroscopy, the astronomers were able to identify dozens of multiply imaged, lente background galaxies. This allowed them to assemble a well-calibrated, high-resolution map of the mass distribution of dark matter in each cluster.
The team compared the dark-matter maps with samples of simulated galaxy clusters with similar masses, located at roughly the same distances. The clusters in the computer model did not show any of the same level of dark-matter concentration on the smallest scales—the scales associated with individual cluster galaxies.
"The results of these analyses further demonstrate how observations and numerical simulations go hand in hand", said team member Elena Rasia of the INAF-Astronomical Observatory of Trieste, Italia.
"With high-resolution simulations, we can match the quality of observations analyzed in our paper, permitting detailed comparisons like never before, " added Stefano Borgani of the Università degli Studi di Trieste, Italia.
Astronomers, including those of this team, look forward to continuing to probe dark matter and its mysteries in order to finally pin down its nature.
