Un equipo de investigación dirigido por físicos de la Universidad de California, Orilla, informa que las diminutas galaxias satélite de la Vía Láctea se pueden utilizar para probar las propiedades fundamentales de la "materia oscura", material no luminoso que se cree que constituye el 85% de la materia del universo.

Usando simulaciones sofisticadas, los investigadores muestran una teoría llamada materia oscura autointeractiva, o SIDM, puede explicar de manera convincente las diversas distribuciones de materia oscura en Draco y Fornax, dos de las más de 50 galaxias satélite descubiertas de la Vía Láctea.

La teoría predominante de la materia oscura, llamada materia oscura fría, o CDM, explica gran parte del universo, incluyendo cómo emergen las estructuras en él. Pero un desafío de larga data para el CDM ha sido explicar las diversas distribuciones de materia oscura en las galaxias.

Los investigadores, dirigido por Hai-Bo Yu y Laura V. Sales de UC Riverside, estudiaron la evolución de los "subhalos" SIDM en el "campo de mareas" de la Vía Láctea, el gradiente en el campo gravitacional de la Vía Láctea que siente una galaxia satélite en forma de fuerza de marea. Los subhalos son cúmulos de materia oscura que albergan las galaxias satélite.

"Descubrimos que SIDM puede producir diversas distribuciones de materia oscura en los halos de Draco y Fornax, de acuerdo con las observaciones, "dijo Yu, profesor asociado de física y astronomía y físico teórico con experiencia en las propiedades de las partículas de la materia oscura. "En SIDM, la interacción entre los subhalos y las mareas de la Vía Láctea conduce a distribuciones de materia oscura más diversas en las regiones internas de los subhalos, en comparación con sus homólogos del MDL ".

Draco y Fornax tienen extremos opuestos en su contenido interno de materia oscura. Draco tiene la densidad de materia oscura más alta entre las nueve galaxias satélites brillantes de la Vía Láctea; Fornax tiene el más bajo. Usando medidas astronómicas avanzadas, Los astrofísicos reconstruyeron recientemente sus trayectorias orbitales en el campo de mareas de la Vía Láctea.

"Nuestro desafío fue comprender el origen de las diversas distribuciones de materia oscura de Draco y Fornax a la luz de estas trayectorias orbitales recién medidas, ", Dijo Yu." Descubrimos que SIDM puede proporcionar una explicación después de considerar tanto los efectos de marea como las auto-interacciones de la materia oscura ".

Los resultados del estudio aparecen en Cartas de revisión física .

La naturaleza de la materia oscura sigue siendo en gran parte desconocida. A diferencia de la materia normal, no absorbe, reflejar, o emitir luz, lo que dificulta su detección. Identificar la naturaleza de la materia oscura es una tarea central en física de partículas y astrofísica.

En CDM, se supone que las partículas de materia oscura no tienen colisiones, y cada galaxia se encuentra dentro de un halo de materia oscura que forma el andamio gravitacional que la mantiene unida. En SIDM, Se propone que la materia oscura interaccione entre sí a través de una nueva fuerza oscura. Se supone que las partículas de materia oscura chocan fuertemente entre sí en el halo interno, cerca del centro de la galaxia, un proceso llamado auto-interacción de la materia oscura.

"Nuestro trabajo muestra que las galaxias satélite de la Vía Láctea pueden proporcionar pruebas importantes de diferentes teorías de la materia oscura, "dijo Ventas, profesor asistente de física y astronomía y astrofísico con experiencia en simulaciones numéricas de formación de galaxias. "Demostramos que la interacción entre las auto-interacciones de la materia oscura y las interacciones de las mareas pueden producir firmas novedosas en SIDM que no se esperan en la teoría prevaleciente del MDL".

En su trabajo, los investigadores utilizaron principalmente simulaciones numéricas, llamadas "simulaciones de N-cuerpos, "y obtuvieron una intuición valiosa a través de modelos analíticos antes de ejecutar sus simulaciones.

"Nuestras simulaciones revelan una dinámica novedosa cuando un subhalo SIDM evoluciona en el campo de las mareas, "dijo Omid Sameie, un ex estudiante de posgrado de la UCR que trabajó con Yu y Sales y ahora es un investigador postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin que trabaja en simulaciones numéricas de la formación de galaxias. "Se pensaba que las observaciones de Draco eran inconsistentes con las predicciones de SIDM. Pero encontramos que un subhalo en SIDM puede producir una alta densidad de materia oscura para explicar a Draco".

Sales explicó que SIDM predice un fenómeno único llamado "colapso del núcleo". En ciertas circunstancias, la parte interior del halo colapsa bajo la influencia de la gravedad y produce una alta densidad. Esto es contrario a la expectativa habitual de que las auto-interacciones de la materia oscura conducen a un halo de baja densidad. Sales dijo que las simulaciones del equipo identifican las condiciones para que ocurra el colapso del núcleo en los subhalos.

"Para explicar la alta densidad de materia oscura de Draco, su concentración inicial de halo debe ser alta, "Ella dijo." Se necesita distribuir más masa de materia oscura en el halo interior. Si bien esto es cierto tanto para CDM como para SIDM, para SIDM, el fenómeno de colapso del núcleo solo puede ocurrir si la concentración es alta, de modo que la escala de tiempo del colapso sea menor que la edad del universo. Por otra parte, Fornax tiene un subhalo de baja concentración, y por tanto su densidad sigue siendo baja ".

Los investigadores enfatizaron que su trabajo actual se enfoca principalmente en SIDM y no hace una evaluación crítica sobre qué tan bien CDM puede explicar tanto a Draco como a Fornax.

Después de que el equipo usó simulaciones numéricas para tener en cuenta adecuadamente la interacción dinámica entre las autointeracciones de la materia oscura y las interacciones de las mareas, los investigadores observaron un resultado sorprendente.

"La materia oscura central de un subhalo SIDM podría estar aumentando, contrariamente a las expectativas habituales, "Sameie dijo." Es importante destacar que, Nuestras simulaciones identifican las condiciones para que este fenómeno ocurra en SIDM, y mostramos que puede explicar las observaciones de Draco ".

El equipo de investigación planea extender el estudio a otras galaxias satélite, incluyendo galaxias ultra débiles.