Una imagen de un cúmulo de galaxias simulado que muestra evidencia de un límite, o "borde" de un artículo de 2015 en el Diario astrofísico por Surhud More, Benedikt Diemer y Andre Kravtsov.
Una investigación de la Universidad de Pensilvania podría arrojar luz sobre la distribución de una de las sustancias más misteriosas del universo.
En los 1970s, Los científicos notaron algo extraño en el movimiento de las galaxias. Toda la materia en el borde de las galaxias espirales giraba tan rápido como el material en la parte interior de la galaxia. Pero de acuerdo con las leyes de la gravedad, los objetos en las afueras deben moverse más lentamente.
La explicación:una forma de materia llamada materia oscura que no interactúa directamente con la luz.
Muchos científicos ahora creen que más del 80 por ciento de la materia del universo está encerrada en misteriosos, aún sin ser detectado, partículas de materia oscura, que afectan todo, desde cómo se mueven los objetos dentro de una galaxia hasta cómo las galaxias y los cúmulos de galaxias se agrupan en primer lugar.
Esta materia oscura se extiende mucho más allá del alcance de las estrellas más lejanas de la galaxia, formando lo que los científicos llaman un halo de materia oscura. Mientras las estrellas de la galaxia giran todas de forma ordenada, disco organizado, estas partículas de materia oscura son como un enjambre de abejas, moviéndose caóticamente en direcciones aleatorias, lo que los mantiene hinchados para equilibrar la atracción de la gravedad hacia adentro.
Bhuvnesh Jain, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, y el postdoctorado Eric Baxter están llevando a cabo una investigación que podría brindar nuevos conocimientos sobre la estructura de estos halos.
Los investigadores querían investigar si estos halos de materia oscura tienen un borde o un límite.
"La gente generalmente ha imaginado una transición bastante suave de la materia ligada a la galaxia a la materia entre galaxias, que también se siente atraído gravitacionalmente por las galaxias y los cúmulos, "Dijo Jain." Pero teóricamente, usando simulaciones por computadora hace unos años, investigadores de la Universidad de Chicago demostraron que para los cúmulos de galaxias se espera un límite definido, proporcionando una transición distinta que deberíamos poder ver a través de un análisis cuidadoso de los datos ".
Los científicos creen que esta región, o "borde" se debe al "efecto de salpicadura".
"Tienes un gran halo de materia oscura ahí, "Baxter dijo, "y ha ido acumulando materia gravitacionalmente a lo largo de toda su historia. A medida que esa materia es absorbida, se vuelve cada vez más rápido. Cuando finalmente cae en el halo, da la vuelta y comienza a orbitar. Ese cambio es lo que la gente ha comenzado a llamar splashback, porque las cosas están salpicando hacia atrás en algún sentido ".
A medida que el asunto "salpique, "se ralentiza. Debido a que este efecto se produce en muchas direcciones diferentes, conduce a una acumulación de materia justo en el borde del halo y una fuerte caída en la cantidad de materia justo fuera de esa posición. Esto es lo que los investigadores de Penn exploraron en los datos.
Usando un estudio de galaxias llamado Sloan Digital Sky Survey, o SDSS, Baxter y Jain observaron la distribución de galaxias alrededor de cúmulos. Formaron un equipo de expertos en la Universidad de Chicago y otras instituciones de todo el mundo para examinar miles de cúmulos de galaxias. Usando herramientas estadísticas para hacer un análisis conjunto de varios millones de galaxias a su alrededor, encontraron una gota en el borde del cúmulo. Baxter y la colaboradora Chihway Chang de la Universidad de Chicago dirigieron un artículo que informaba sobre los hallazgos, aceptado para su publicación en el Diario astrofísico .
Además de ver este borde cuando observaron la distribución de galaxias, los investigadores también vieron evidencia de ello en forma de colores de galaxias.
Cuando una galaxia está llena de gas y forma muchos grandes, estrellas calientes, el calor hace que parezca azul cuando los científicos toman imágenes de él.
"Pero esas grandes estrellas viven vidas muy cortas, "Baxter dijo." Ellos explotan. Lo que te queda son estos más pequeños estrellas más viejas que viven durante largos períodos de tiempo, y esos son rojos ".
Una comparación bidimensional de dos modelos para el perfil de densidad de un halo. Ambos modelos provienen del ajuste a los datos en SDSS. Los modelos con una función de salpicadura (un "borde") se ajustan mejor a los datos que los modelos que no tienen un borde. Las nuevas mediciones proporcionan evidencia de que existe este "borde". Crédito:Universidad de Pensilvania
Cuando los científicos observan las galaxias dentro de los cúmulos, aparecen rojas porque no están formando estrellas.
"Estudios anteriores han demostrado que existen interacciones dentro del cúmulo que pueden hacer que las galaxias dejen de formar estrellas, ", Dijo Baxter." Podrías imaginar, por ejemplo, que una galaxia cae en un cúmulo, y el gas de la galaxia es eliminado por el gas dentro del cúmulo. Después de perder su gas, la galaxia no podrá formar muchas estrellas ".
Debido a esto, Los científicos esperan que las galaxias que han pasado más tiempo orbitando a través de un cúmulo aparezcan rojas, mientras que las galaxias que están empezando a caer aparecerán azules.
Los investigadores notaron un cambio repentino en los colores de las galaxias justo en el límite, proporcionándoles más evidencia de que los halos de materia oscura tienen una ventaja.
"Fue realmente interesante y sorprendente ver este cambio brusco en los colores, "Jain dijo, "porque el cambio de colores de las galaxias es un proceso muy lento y complejo".
Los investigadores están trabajando en otro artículo utilizando un estudio más profundo de más de cien millones de galaxias llamado Dark Energy Survey, o DES.
Tanto el SDSS como el DES hacen mapas masivos del cielo utilizando una cámara enorme que, según Jain, no es fundamentalmente diferente de las cámaras de los teléfonos inteligentes, pero es más grande y precisa, y su construcción cuesta millones de dólares.
En el DES, cuando se abre la cámara, toma una exposición de un par de minutos, y luego se traslada a una parte diferente del cielo. Este proceso se repite durante el transcurso de varios años utilizando diferentes filtros para permitir a los científicos obtener una encuesta en varios colores.
El DES permite a los investigadores realizar mediciones ampliadas, empujando a distancias más altas.
En lugar de medir la distribución de las galaxias, los investigadores están utilizando un fenómeno astrofísico llamado lente gravitacional para sondear los halos de materia oscura. En lentes gravitacionales, la luz que llega a un observador se dobla cuando la materia ejerce una fuerza gravitacional sobre ella.
Los investigadores pueden analizar imágenes del cielo para ver cómo los cúmulos estiran las imágenes de las galaxias detrás de ellos.
"La luz se desviará si hay masa, Baxter dijo:"Al medir estas desviaciones podemos medir la masa directamente, que es fría porque la mayor parte de la masa es materia oscura que no podemos ver, por lo que es una forma única de sondear la materia oscura".
En términos de comprensión fundamental del universo, Baxter dijo:La materia oscura es uno de los mayores misterios que existen en este momento.
"Miras en el cielo, incluso con los telescopios ópticos más grandes, y no ves nada más allá de la luz de las galaxias, "Dijo Jain." Sólo existe esta materia oscura ".
Los investigadores esperan que su investigación contribuya a una mejor comprensión de la misteriosa sustancia que constituye alrededor del 80 por ciento de la materia del universo. Si pueden marcar el borde de un halo de materia oscura, les permitiría probar cosas como la teoría de la gravedad de Einstein y la naturaleza de la materia oscura.
"Es solo una nueva forma de ver los clústeres, "Dijo Jain." Una vez que encuentras el límite, puedes estudiar tanto la física estándar de cómo las galaxias interactúan con el cúmulo como la posible física desconocida de cuál es la naturaleza de la materia oscura y la gravedad ".
