Como polillas alrededor de una llama, miles de diminutas galaxias satélite revolotean alrededor de la Vía Láctea. Para los astrónomos este es un escenario soñado, que encaja perfectamente con los modelos establecidos de cómo debería ser nuestro vecindario cósmico galáctico. Desafortunadamente, es un sueño en más de una forma y la realidad podría ser muy distinta.
Hasta donde sabemos, aproximadamente 25 desordenados satélites merodean tristemente por las afueras de la Vía Láctea. “Vemos apenas un 1 por ciento del número predicho de las galaxias satélite”, dice Pavel Kroupa de la Universidad de Bonn en Alemania. “Es el caso más claro en el que podemos ver que hay algo tremendamente equivocado respecto a nuestra visión estándar del origen de las galaxias”.
No es sólo la aparente carencia de galaxias lo que causa esta consternación. En una conferencia a principios de año en la ciudad alemana de Bad Honnef, Kroupa y sus colegas presentaron un análisis de la localización y movimiento de las galaxias satélite conocidas. Informaron de que la mayor parte de estas galaxias orbitan la Vía Láctea de una forma inesperada y que, juntos, sus resultados están enfrentados con la cosmología principal. Sólo hay “una forma” de explicar los resultados, dice Kroupa: “La gravedad tiene que ser más fuerte de lo predicho por Newton”.
Desafiar a la descripción de la gravedad de Newton es controvertido. Pero sin importar dónde está la verdad, las galaxias satélite de la Vía Láctea se han convertido en el último campo de batalla entre los defensores de la materia oscura y las teorías de la gravedad modificada.
Nuestra comprensión estándar del universo procede de muchas décadas de observación. Afirma que la materia visible – el tipo de materia de la que tú, yo, los planetas y estrellas estamos hechos – está superado en un factor de 6 o 7 por la invisible materia oscura fría. Nadie sabe de qué está hecha la materia oscura, pero se ha propuesto su existencia para explicar cómo las estrellas de las galaxias espirales pueden orbitar a velocidades tan elevadas sin salir volando hacia el vacío. No hay suficiente materia común para mantenerlo todo unido, por lo que el tirón gravitatorio extra proporcionado por grandes cantidades de materia oscura evita que estas estrellas salgan volando hacia el espacio.
La materia oscura también se cree que ha desempeñado un papel clave en dar forma a los inicios del universo. En el periodo posterior al Big Bang, fue la materia oscura lo que empezó primero a agruparse bajo la fuerza de la gravedad debido a que su carencia de interacción con la luz implica que no era dispersada por la bola de fuego del Big Bang. Posteriormente, la materia gaseosa normal cayó en estos cúmulos – conocidos como halos de materia oscura – donde se congelaron en estrellas para formar galaxias visibles.
Una característica clave de este escenario de materia oscura es que se forman halos de todos los tamaños. De acuerdo con el modelo estándar de la cosmología, un halo tan grande como el que se cree que ha generado la Vía Láctea debería estar rodeado de miles de mini-halos, los cuales deberían haber generado pequeñas galaxias satélite.
Entonces, ¿por qué no los vemos? Simplemente podría ser debido a que la mayor parte de las galaxias satélite contienen sólo unas pocas miles de estrellas y su poca luz las hace extremadamente difíciles de ver.
Otro problema es que no es obvio para el ojo humano que un grupo aparente de estrellas en el cielo es una colección más que una alineación casual de estrellas a distancias totalmente distintas. Demostrar esta conexión requiere técnicas de búsqueda computerizada y análisis detalladas del color de las estrellas para dar sus tipos y distancias relativas – un laborioso y caro trabajo.
Enanas de marea
No obstante, el índice de descubrimiento de galaxias satélite se ha incrementado en los últimos cinco años mediante una búsqueda detallada del Estudio del Cielo Digital Sloan. Mientras que sólo se descubrieron nueve galaxias satélite en 30 años antes de SDSS, otras 15 se han hallado desde entonces. La mayores tienen aproximadamente 1000 años luz de diámetro – menos de un 1 por ciento del diámetro del disco de la Vía Láctea – y la menor aproximadamente de 150 años luz. A pesar de este progreso, el número total de satélites que se conocen es mucho menos que lo predicho por el paradigma de la materia oscura.
El problema de los satélites perdidos no es el único misterio. Kroupa y su colega de Bonn Manuel Metz, junto con Gerhard Hensler de la Universidad de Viena en Austria, y Helmut Jerjen del Observatorio de Monte Stromlo cerca de Canberra en Australia, han estudiado la posición y movimiento del pequeño número de galaxias satélite conocidas. Encontraron que una alta proporción de las galaxias parece estar confinadas en un plano perpendicular al disco de la Vía Láctea. Es más, la mayor parte de las galaxias orbitan la Vía Láctea en la misma dirección. “Esto es completamente incompatible con el modelo de materia oscura de formación de la Vía Láctea”, dice Kroupa. Señala que las satélite deberían ser más como un enjambre de abejas, moviéndose en órbitas aleatorias y distribuidas en una capa esférica alrededor de la galaxia.
Si el origen de las galaxias satélite de la Vía Láctea no puede explicarse a través del modelo de materia oscura, ¿cómo se originaron? Kroupa dice que puede encontrarse una pista en una larga cola de material gaseoso y estrellas conocido como la Corriente Magallánica, la cual se liberó de la Gran Nube de Magallanes a través de los efectos de la gravedad de la Vía Láctea (The Astrophysical Journal, vol 697, p 269).
Tales efectos de marea fueron mucho más comunes hace 10 o 12 mil millones de años cuando nació la Vía Láctea, debido a que las galaxias en el universo en rápida expansión estaban mucho más cerca de lo que están ahora. Kroupa y sus colegas defienden que la gravedad de la joven Vía Láctea arrancó gas de una galaxia que pasaba cerca para formar antiguas “enanas de marea” que terminaron como galaxias satélite. “Como la Corriente de Magallanes, tales galaxias formarían de manera natural una corriente planar y compartirían el mismo movimiento”, dice Kroupa.
Parece una solución adecuada. Pero la idea de los satélites como antiguas enanas de marea genera otro problema. Las medidas de las velocidades de las estrellas dentro de las galaxias demuestran que están orbitando muy rápido a sus galaxias – tan rápido que deberían salir volando hacia el espacio intergaláctico.
Este es precisamente el problema que los astrónomos encuentran en las galaxias espirales y que generó la aparición de la materia oscura como solución. “El problema es que la solución de la materia oscura no puede usarse en el caso de las galaxias enanas de marea”, dice Kroupa. La razón tiene que ver con la forma distinta en que la materia común y la materia oscura se comportan cuando las galaxias interaccionan o colisionan.
Estas diferencias son las más aparentes en un objeto celeste conocido como el Cúmulo Bala, el cual se formó cuando dos cúmulos galácticos colisionaron. Imágenes tomadas en el espacio por el Observatorio de rayos-X Chandra revelan que cuando los cúmulos colisionaron, las dos vastas nubes de gas impactaron entre sí y frenaron. Pero los mapas de distribución de masa sugieren que los dos cúmulos de materia oscura volaron uno a través de otro sin afectarse, dejando la materia común languideciendo tras de sí.
Kroupa reconoce que la materia oscura y la materia común se habrían separado de una forma similar cuando se formaron las enanas de marea. Esto presenta un interrogante: las pruebas de esta asombrosa velocidad de las estrellas en las galaxias satélite “gritan materia oscura”, dice Kroupa, “pero todas las otras pruebas dicen que no es posible que estas galaxias contengan materia oscura”.
Entonces, ¿cómo es posible explicar las velocidades anormalmente altas de las estrellas en las galaxias enanas de marea? La única respuesta, dice Kroupa, es modificar la gravedad. Apuesta por una alternativa a la materia oscura conocida como dinámica Newtoniana modificada, o MOND, ideada a principios de la década de 1980 por Mordehai Milgrom, ahora en el Instituto Weizmann en Rehovot, Israel. MOND sostiene que, bajo una aceleración crítica, la gravedad es más fuerte de lo que dictan las leyes de Newton. Entonces, debido a que las estrellas que vuelan a lo largo de los bordes externos de las galaxias espirales experimentan una aceleración menor que aquellas que están más internamente situadas en la galaxia, están agarradas con más fuerza de lo que se esperaría bajo las leyes de Newton. Con una sencilla fórmula, Milgrom puede explicar el movimiento de las estrellas en cada galaxia espiral para las que hemos medido su velocidad.
MOND es una alternativa lógica a la materia oscura. No obstante, es difícil encontrar circunstancias en las que los dos escenarios predigan salidas distintas. Ahora, todo eso puede cambiar. Milgrom cree que el fallo del modelo de materia oscura al predecir el número, posición y velocidades de las galaxias satélite de la Vía Láctea es una observación significativa. “Es la situación más clara en la que MOND tiene éxito y la materia oscura falla”, dice.
James Binney de la Universidad de Oxford siente no estar de acuerdo, no obstante. En abierto desacuerdo con Milgrom, afirma que el problema de las galaxias satélite apoya el escenario de la materia oscura. “Esta es en realidad la situación más clara en la que la materia oscura tiene éxito”, dice.
Galaxias oscuras
¿Cómo pueden tener los defensores de MOND y de la materia oscura unas interpretaciones tan diametralmente opuestas de las mismas observaciones?
De acuerdo con Binney, tienes que mirar a los detalles del escenario de materia oscura para la formación de galaxias. En el periodo posterior al Big Bang, las fluctuaciones cuánticas del espacio-tiempo llevaron a que algunas regiones del universo lograran grandes cantidades de materia y otras, regiones casi vacías, muy poca. Los vacíos se expandieron más rápido que las regiones densas, cuya expansión se vio reducida por la gravedad de la materia que contenían.
Dado que los vacíos se expanden y conectan entre sí, compactan la materia oscura y la común en láminas y corrientes. “Vemos esto en la distribución de las galaxias”, dice Binney. El universo tiene el aspecto de un “queso suizo” con concentraciones de galaxias separadas por enormes vacíos.
Ve este proceso de materia compactada en láminas y corrientes también actuando a escala de la Vía Láctea: la materia oscura habría fluido en la Vía Láctea a lo largo de ciertos caminos. Por lo que Binney ve como algo bstante natural que observemos galaxias satélites confinadas en gran parte en un único plano con sus velocidades correlacionadas. “Sus propiedades son perfectamente explicables dentro del escenario de materia oscura”, comenta.
Pero si el modelo de materia oscura encaja con las posiciones y movimientos de las galaxias satélite, ¿por qué sólo vemos aproximadamente un 1 por ciento del número esperado? Binney no ve ningún problema en esto tampoco. Dice que las galaxias que faltan son simplemente demasiado tenues para que las hayamos detectado aún. O “pueden estar exclusivamente compuestas de materia oscura” sin suficiente gas para encender estrellas, añade.
Binney señala un reciente estudio liderado por Sergey Koposov del Instituto Max Planck para Astronomía en Heidelberg, Alemania, el cual concluyó que las galaxias satélite que vemos son sólo la punta del iceberg. A partir de las propiedades de las galaxias satélite observadas, Koposov predice que el número de galaxias ultra-tenues aún por descubrir deberían ser miles (The Astrophysical Journal, vol 696, p 2179).
Pero no está claro cómo galaxias con vastas concentraciones de gas y materia oscura pueden carecer de estrellas. Eliminar la formación estelar implica mecanismos complejos que apenas se comprender – en esto casi todo el mundo concuerda. “Es el talón de Aquiles del modelo de la materia oscura”, admite Binney. “Pero esto sólo significa que aún tenemos mucho que hacer para desarrollar por completo el modelo”.
Milgrom y Kroupa no están convencidos. Mantienen que el mecanismo que evita la existencia de estrellas es el fallo fatal en el modelo de materia oscura. Se enfrentan a un apuro al convencer a otros, no obstante: la mayoría de los astrónomos están casados con la materia oscura y no arrojarán más de 30 años de trabajo por la ventana tan fácilmente. La verdad es, dice Binney, que tanto la materia oscura como MOND son deficientes por sí mismas.
Entonces, ¿qué decantará el problema hacia un lado u otro? La respuesta puede estar en la cartografía del paisaje gravitatorio de los exteriores de la Vía Láctea. Haciendo mapas más detallados del movimiento de todas las galaxias satélite visibles y cúmulos globulares, debería ser posible deducir la presencia de todas las galaxias satélite que son demasiado tenues para observarse. Si resulta que, efectivamente hay miles de satélites ultra-tenues, como predice el modelo de materia oscura, entonces los defensores de este escenario quedarán respaldados. De no ser así, entonces la materia oscura puede quedar atascada antes del final.
Sin tal mapa gravitatorio, ambos lados están luchando con bates de gomaespuma en lugar de guantes de boxeo. Por ahora, el entorno de la Vía Láctea sigue siendo un lejano campo de batalla entre dos grandes visiones del mundo.
Autor: Marcus Chown
Fecha Original: 24 de agosto de 2009
Enlace Original
Vía Ciencia Kanija
Imagen actualizada por la USNO
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