El misterio de las mini-galaxias

El misterio de las mini-galaxias faltantes: la gravedad que Newton previó tiene que ser más fuerte
Agregado el 24 Agosto 2009 por admin en Astronomía, CIENCIA, Cosmología, tags: Galaxias
Como polillas alrededor del fuego, miles de pequeñas galaxias satélite revolotean alrededor de nuestra Vía Láctea. Para los astrónomos este es un escenario ideal, que encaja perfectamente con los modelos establecidos de cómo debe ser la vecindad cósmica de nuestra galaxia. Lamentablemente, este es un sueño en más de un sentido, porque la realidad no podría ser más diferente
Por lo que podemos decir hasta ahora, apenas 25 dispersas galaxias satélites merodean tristemente por los alrededores de la Vía Láctea. “Vemos sólo el 1 por ciento de la catidad prevista de 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 muy malo en nuestra imagen estándar del origen de las galaxias”.
No es sólo la aparente escasez de galaxias lo que está causando consternación. En una conferencia a principios de este año en la ciudad alemana de Bad Honnef, Kroupa y sus colegas presentaron un análisis de la ubicación y el movimiento que se conoce de las galaxias satélite. Informaron que la mayoría de esas galaxias orbitan la Vía Láctea en una forma inesperada y que, en conjunto, sus resultados están en desacuerdo con la cosmología dominante. Hay “una sola manera” de explicar los resultados, dice Kroupa: “La gravedad tiene que ser más fuerte que lo previsto por Newton.”
Desafiar la descripción de la gravedad de Newton es algo muy discutido. Pero, independientemente de 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 imagen estándar del universo viene de muchas décadas de observaciones. Afirma que la materia visible —el tipo de cosa de la que estamos hechos usted, yo, los planetas y las estrellas— se ve compensada en un factor de 6 a 7 por una materia invisible, oscura y fría. Nadie sabe de qué está hecha la materia oscura, pero se ha postulado su existencia para explicar por qué las estrellas de las galaxias espirales pueden orbitar a velocidades de vértigo sin ser despedidas hacia el vacío. No hay suficiente materia común allí afuera para mantener todo, así que el apretón gravitatorio extra que proporciona la gran cantidad de materia oscura hace que las veloces estrellas no vuelen al espacio.
Se cree también que la materia oscura ha desempeñado un papel clave en la formación del universo primitivo. Inmediatamente después del Big Bang, fue la materia oscura la que comenzó a agruparse bajo la fuerza de gravedad, debido a que al no interactuar con la luz no se vio impactada por la bola de fuego de la gran explosión. Más tarde, la materia gaseosa normal cayó sobre estos grupos —denominados halos de materia oscura— y allí se congeló en estrellas para formar las galaxias visibles.
Una característica clave de este escenario de materia oscura son los halos de materia oscura de todas las formas y tamaños. Según el modelo estándar de la cosmología, un halo tan grande como el que cree que ha servido de semilla para la Vía Láctea debería estar rodeado de miles de minibalones, que a su vez deberían haber servido de semilla para formar las pequeñas galaxias satélites.
¿Por qué no las vemos, entonces? Podría ser, simplemente, porque la mayoría de las galaxias satélite sólo contienen unos pocos miles de estrellas y su debilidad las hace extremadamente difíciles de detectar (ver New Scientist, 15 de agosto, p. 10).
Otro problema es que no es obvio para el ojo humano que un grupo aparente de las estrellas en el cielo sea una colección que está en un paquete en lugar de una alineación de estrellas a distancias completamente diferentes. Demostrar que están conectadas requiere técnicas informatizadas de búsqueda y análisis detallado de los colores de las estrellas para dar sus distancias relativas y los tipos; una empresa laboriosa y cara.
Enanas de marea
Sin embargo, la tasa de descubrimiento de galaxias satélite creció en los últimos cinco años gracias a una búsqueda detallada que realiza el Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Mientras que se descubrieron sólo nueve galaxias satélite en los 30 años antes del SDSS, desde entonces se han encontrado otras 15. La más grande tiene cerca de 1.000 años luz de diámetro —menos del 1 por ciento del diámetro del disco de la Vía Láctea— y la más pequeña unos 150 años luz. A pesar de este progreso, el número total de galaxias satélites conocidas está muy por debajo de las previstas por el paradigma de la materia oscura fría.
Kroupa Bonn y su colega Manuel Metz, junto con Gerhard Hensler en la Universidad de Viena, Austria, y Helmut Jerjen del Observatorio del Monte Stromlo cerca de Canberra, Australia, han estudiado la ubicación y movimiento de la pequeña cantidad de galaxias satélite que se conocen.
Ellos encontraron que una alta proporción de estas galaxias parecen estar restringidas en un plano perpendicular al disco de la Vía Láctea. Más aún, la mayoría de estas galaxias orbita la Vía Láctea en la misma dirección. “Esto es completamente incompatible con el modelo de la materia oscura en la formación de la Vía Láctea”, dice Kroupa. Él señala que las satélites deberían ser más como un enjambre de abejas, moviéndose en órbitas aleatorias y distribuidas en una cáscara esférica alrededor de nuestra galaxia.
Si el origen de las galaxias satélite de la Vía Láctea no se puede explicar con el modelo de la materia oscura, ¿cómo se originaron? Kroupa dice que se puede encontrar una pista en un largo rastro de material gaseoso y estrellas llamado la Corriente de Magallanes, que fue atraído desde la Gran Nube de Magallanes por los efectos de la gravedad de la Vía Láctea (The Astrophysical Journal, vol 697, p 269).

Estos efectos de marea eran mucho más comunes entre 10.000 y 12.000 millones de años después del nacimiento de la Vía Láctea, porque las galaxias en el universo en rápida expansión estaban mucho más juntas de lo que lo están hoy. Kroupa y sus colegas sostienen que la gravedad de la joven Vía Láctea rompió el gas de una galaxia que pasó a formar antiguas “enanas de marea”, que terminaron como galaxias satélite. “Al igual que la Corriente de Magallanes, estas galaxias, naturalmente, forman una corriente plana y comparten el mismo movimiento”, dice Kroupa.
Pero la idea de que las galaxias satélite sean antiguas enanas de marea plantea otra cuestión. Las mediciones de velocidad de las estrellas de las galaxias muestran que están en una órbita muy veloz alrededor de sus galaxias; tan rápido que deberían ser lanzadas hacia el espacio intergaláctico.
Este es precisamente el problema que encuentran los astrónomos en las galaxias espirales y por el cual introdujeron la materia oscura para solucionarlo. “El problema es que la solución de la materia oscura no se puede ser utilizar en el caso de las galaxias enanas de marea”, dice Kroupa. La razón tiene que ver con la diferente manera en que se comportan la materia ordinaria y la materia oscura cuando las galaxias interactúan o chocan.
Estas diferencias son más evidentes en un objeto celeste llamado el Cúmulo Bala, que se formó cuando chocaron dos cúmulos de galaxias. Las imágenes tomadas por el Observatorio Espacial Chandra de rayos X revelan que cuando chocaron esos cúmulos, las dos enormes nubes de gas se estrellaron una contra otra y se frenaron. Pero los mapas de distribución de la masa indican que los dos grupos de materia oscura navegaron a través del otro, dejando a la materia ordinaria atrás.

Kroupa reconoce que la materia oscura y la materia ordinaria se han separado de una manera similar a cuando se formaron las galaxias enanas de marea. Esto presenta un dilema: la evidencia de la vertiginosa velocidad de las estrellas en las galaxias satélite “grita materia oscura”, dice Kroupa, “pero todas las otras pruebas dicen que estas galaxias no pueden contener materia oscura”.
Entonces, ¿cómo se pueden explicar las velocidades anormalmente rápidas de las estrellas en las galaxias enanas de marea? La única respuesta, dice Kroupa, es modificar la gravedad. Está a favor de una alternativa a la materia oscura que se conoce como dinámica Newtoniana modificada o MOND, creada en la década de los 80 por Mordehai Milgrom, ahora en el Instituto Weizmann de Rehovot, Israel. La teoría MOND nos dice que por debajo de una aceleración crítica, la gravedad es más fuerte que lo que dicta la ley de Newton. Debido a que las estrellas que barren a lo largo de los bordes exteriores de las galaxias espirales experimentan menor aceleración que las del interior de la galaxia, se atraen un poco más fuerte de lo que podríamos esperar bajo las leyes de Newton. Con una fórmula sencilla, Milgrom puede explicar el movimiento de las estrellas en cada galaxia en espiral de las que tenemos mediciones de velocidad.
MOND es una alternativa lógica a la materia oscura. Sin embargo, es difícil encontrar casos en los que los dos escenarios predigan resultados diferentes. Ahora, todo eso podría cambiar. Milgrom piensa que el fracaso del modelo de materia oscura para predecir la cantidad, ubicación y velocidad de las galaxias satélite de la Vía Láctea es una observación significativa. “Es la más clara situación en la que MOND tiene éxito y no la materia oscura”, dice.
James Binney, de la Universidad de Oxford, lo ve de otro modo, sin embargo. En marcado contraste con Milgrom, afirma que el problema de las galaxias satélite refuerza la hipótesis de la materia oscura. “Esta es realmente la más clara situación en la que la materia oscura tiene éxito,” él dice.
Galaxias oscuras
¿Cómo pueden tener los defensores de la MOND y la materia oscura esa clase de interpretaciones diametralmente opuestas de las mismas observaciones?
Según Binney, hay que fijarse en los detalles de la hipótesis de la materia oscura para la formación de galaxias. A raíz de la gran explosión, las fluctuaciones cuánticas en el espacio-tiempo dieron lugar a algunas regiones del universo con mucha materia y a otras vacías. Los vacíos se expandieron con más rapidez que las regiones densas, cuya expansión fue retenida por la gravedad de la materia contenida.
Como los vacíos se expandieron y se conectaron entre sí, la materia oscura y la materia ordinaria se apretaron en hojas y corrientes. “Vemos esto en la distribución de las galaxias”, dice Binney. El universo se parece a “queso suizo” con concentraciones de galaxias separadas por enormes vacíos.
Él ve este proceso de compresión de la materia en hojas y corrientes actuando también a la escala de la Vía Láctea: la materia oscura se habría metido como una corriente en la Vía Láctea por algunos caminos (New Scientist, 18 de julio, p 34) Así que a Binney le parece muy natural que veamos a las galaxias satélite confinadas en gran parte a un solo plano y con sus velocidades correlacionados. “Sus propiedades son perfectamente explicable en el escenario de la materia oscura”, dice.
Pero si el modelo de la materia oscura sí coincide con la ubicación y movimiento de las galaxias satélite, ¿por qué vemos sólo el 1 por ciento de la cantidad que es de esperar? Binney no ve ningún problema en este caso tampoco. Él dice que las galaxias que faltan son, sencillamente, demasiado débiles para que nosotros las hayamos detectado aún. O “que pueden estar exclusivamente compuestas de materia oscura”, con una cantidad de gas insuficiente para encender estrellas, agrega.
Binney señala un estudio reciente realizado por un equipo dirigido por Sergey Koposov del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, que concluyó que las galaxias satélite que vemos son sólo la punta del iceberg. De las propiedades de las galaxias satélite observadas, Koposov predice que la cantidad de galaxias ultra-débiles que aún quedan por descubrir debe llegar a miles (The Astrophysical Journal, vol 696, p 2179).
Pero no está claro cómo las galaxias, con sus grandes concentraciones de gas y materia oscura, pueden no tener estrellas. La supresión de la formación de estrellas implica mecanismos complejos que no se entienden bien; en esto mucha gente está de acuerdo. “Es el talón de Aquiles del modelo de la materia oscura”, admite Binney. “Pero eso sólo significa que todavía tenemos mucho que hacer aún para dotar de contenido al modelo”.
Milgrom y Kroupa no están convencidos. Ellos sostienen que el mecanismo que evita la existencia de estrellas es un defecto fatal en el modelo de materia oscura.
Sin embargo, ellos se enfrentan con una lucha cuesta arriba para convencer a otros: la mayoría de los astrónomos están aferrados a la materia oscura y no quieren lanzar más de 30 años de trabajo por la ventana a la ligera. La verdad es, dice Binney, que tanto la materia oscura como la MOND son deficientes a su manera.
Entonces, ¿qué se necesita para que un lado ceda terreno? La respuesta puede estar en cartografíar el paisaje de gravedad de las afueras de la Vía Láctea.
Haciendo mapas cada vez más detallados del movimiento de todas las galaxias satélite visibles y los cúmulos globulares, debería ser posible deducir la presencia de galaxias satélites que son demasiado tenues para ver. Si resulta que de hecho hay miles de galaxias satélite ultra-ligeras, como predice el modelo de la materia oscura, entonces los defensores de la materia oscura han apostado por el caballo correcto. Si no, entonces la materia oscura aún puede tropezar antes de la meta.
Sin tal mapa de gravedad, ambas partes están combatiendo a la otra con globos en el extremo de palillos en lugar de con guantes de boxeo. Por ahora, los alrededores de la Vía Láctea siguen siendo un campo de batalla distante entre dos grandes concepciones del universo.
Fuente: Marcus Chown, New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti