Ilustración artística de las concentraciones materia oscura a pequeña escala. Crédito: NASA, ESA, G. Caminha, M. Meneghetti, P. Natarajan, equipo CLASH y M. Kornmesser.
Observaciones del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA y el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) han descubierto que algo puede estar faltando en las teorías del comportamiento de la materia oscura. El ingrediente perdido 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 masivos de galaxias y simulaciones informáticas teóricas de cómo debería estar distribuida la materia oscura en los 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” que mantiene unidas a las estrellas, el polvo y el gas en una galaxia. Esta misteriosa sustancia comprende la mayor parte de la masa de una galaxia y forma los cimientos de la estructura a gran escala del Universo. Dado que la materia oscura no emite, absorbe ni refleja luz, su presencia solo se conoce por su atracción sobre la materia visible en el espacio. Los astrónomos y físicos aún intentan determinar qué es.
Los cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas y recientes en el Universo, también son los repositorios más grandes de materia oscura. Los cúmulos están compuestos por galaxias individuales que se mantienen unidas en gran parte por la gravedad de la materia oscura.
“Los cúmulos de galaxias son laboratorios ideales en los que estudiar si las simulaciones numéricas del Universo que están disponibles actualmente reproducen correctamente lo que podemos inferir de los lentes gravitacionales”, dijo el autor principal del estudio Massimo Meneghetti de INAF, Observatorio de Astrofísica y Ciencia Espacial de Bolonia, Italia.
“Hemos hecho una gran cantidad de pruebas de los datos en este estudio, y estamos seguros que este desajuste indica que falta algún ingrediente físico, ya sea en las simulaciones o en nuestra comprensión de la naturaleza de la materia oscura”, agregó Meneghetti.
“Hay una característica del Universo real que simplemente no estamos captando en nuestros modelos teóricos actuales”, añadió Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale en Connecticut, Estados Unidos, uno de los teóricos senior en el equipo. “Esto podría señalar un vacío en nuestra comprensión actual de la naturaleza de la materia oscura y sus propiedades, ya que estos datos exquisitos nos han permitido analizar la distribución detallada de la materia oscura en las escalas más pequeñas”.
La distribución de la materia oscura en los cúmulos es mapeada al medir la curvatura de la luz –el efecto de lente gravitacional– que ellos producen. La gravedad de la materia oscura concentrada en los cúmulos aumenta y deforma la luz de objetos de fondo lejanos. Este efecto produce distorsiones en las formas de las galaxias de fondo que aparecen en las imágenes de los cúmulos. Los lentes gravitacionales también pueden producir a menudo múltiples imágenes de la misma galaxia distante.
A mayor concentración de materia oscura en un cúmulo, más dramático es el efecto de curvatura de la luz. La presencia de aglomeraciones de materia oscura a menores escalas asociada con cúmulos individuales de galaxias realza el nivel de distorsión. En cierto sentido, el cúmulo de galaxias actúa como un lente a gran escala que en el interior tiene muchos lentes más pequeños.
Las imágenes del Hubble fueron tomadas por los instrumentos Wide Field Camera 3 y Advanced Camera for Surveys. Junto con los espectros del VLT de ESO, el equipo generó un mapa preciso y de alta fidelidad de la materia oscura. Al medir las distorsiones de lente los astrónomos pudieron trazar la cantidad y distribución de la materia oscura. Los tres cúmulos clave MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 y Abell S1063, fueron parte de dos sondeos del Hubble.
De izquierda a derecha los cúmulos de galaxias MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 y Abell S1063. Crédito: NASA, ESA, G. Caminha, M. Meneghetti, P. Natarajan, equipo CLASH, M. Jauzac, JP. Kneib y J. Lotz.
Para sorpresa del equipo, además de los dramáticos arcos y estirados rasgos de galaxias lejanas producidos por los lentes gravitacionales de cada cúmulo, las imágenes del Hubble también revelaron una cantidad inesperada de arcos de menor escala e imágenes distorsionadas alojadas cerca del núcleo de cada cúmulo, donde residen las galaxias más masivas. Observaciones espectroscópicas de seguimiento midieron la velocidad de las estrellas orbitando dentro de varias de las galaxias para determinar sus masas.
“Los datos del Hubble y el VLT proporcionaron una excelente sinergia”, compartió el miembro del equipo Piero Rosati de la Università degli Studi di Ferrara, Italia, quien lideró la campaña espectroscópica. “Fuimos capaces de asociar las galaxias con cada cúmulo y estimar sus distancias”.
“La velocidad de las estrellas nos dio una estimación de la masa de cada galaxia individual, incluyendo la cantidad de materia oscura”, agregó el miembro del equipo Pietro Bergamini de INAF, Observatorio de Astrofísica y Ciencia Espacial de Bolonia.
Al combinar las imágenes de Hubble y espectroscopia del VLT, los astrónomos fueron capaces de identificar docenas de imágenes de galaxias de fondo afectadas por lente. Esto les permitió ensamblar un mapa de alta resolución y bien calibrado de la distribución de masa de la materia oscura en cada cúmulo.
El equipo comparó los mapas de materia oscura con las muestras de cúmulos de galaxias simulados con masas similares, localizados aproximadamente a las mismas distancias. Los cúmulos en el modelo informático no mostraron el mismo nivel de concentración de materia oscura en las escalas más pequeñas, las escalas asociadas con galaxias de cúmulos individuales.
“Los resultados de estos análisis demuestran aún más cómo las observaciones y las simulaciones numéricas van de la mano”, dijo la miembro del equipo Elena Rasia de INAF, Observatorio Astronómico de Trieste, Italia.
“Con simulaciones cosmológicas avanzadas, podemos igualar la calidad de las observaciones analizadas en nuestro estudio, permitiéndonos comparaciones detalladas como nunca antes”, añadió Stefano Borgani de la Università degli Studi di Trieste, Italia.
Los científicos esperan continuar investigando la materia oscura y sus misterios a fin de poder determinar su naturaleza.
El artículo “An excess of small-scale gravitational lenses observed in galaxy clusters” fue publicado el 11 de septiembre de 2020 en Science.
Fuente: ESA/Hubble
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