Las estrellas exteriores más lentas de la Vía Láctea indican que la materia oscura está exagerada

Instituto de Tecnología de MassachusettsExposición de estudio exterior vía Láctea Las estrellas giran más lentamente, lo que indica un núcleo más claro que contiene menos materia oscura, lo que contradice las suposiciones anteriores.

Al registrar la velocidad de las estrellas a lo largo de la Vía Láctea, los físicos del MIT descubrieron que las estrellas en el disco galáctico se mueven más lentamente de lo esperado en comparación con las estrellas más cercanas al centro galáctico. Los resultados plantean una posibilidad sorprendente: el núcleo gravitacional de la Vía Láctea puede ser más ligero y contener menos materia oscura de lo que se pensaba anteriormente.

Los nuevos hallazgos se basan en el análisis del equipo de los datos capturados por los instrumentos Gaia y APOGEE. Gaia es un telescopio espacial en órbita que rastrea la posición, la distancia y el movimiento precisos de más de mil millones de estrellas a lo largo de la Vía Láctea, mientras que APOGEE es un estudio terrestre. Los físicos analizaron las mediciones de Gaia de más de 33.000 estrellas, incluidas algunas de las más distantes de la galaxia, y determinaron la «velocidad circular» de cada estrella, o qué tan rápido gira la estrella en el disco galáctico, dada la distancia de la estrella al centro de la galaxia. .

Entendiendo la rotación galáctica

Los científicos trazaron la velocidad de cada estrella en función de su distancia para generar una curva de rotación, un gráfico estándar en astronomía que representa la rapidez con la que gira la materia a una distancia determinada del centro de la galaxia. La forma de esta curva puede dar a los científicos una idea de cuánta materia visible y oscura se distribuye por la galaxia.

«Lo que realmente nos sorprendió ver fue que esta curva se mantuvo plana, plana, plana durante una cierta distancia, y luego comenzó a disminuir», dice Lina Naguib, profesora asistente de física en el MIT. «Esto significa que las estrellas exteriores están girando un poco más lento de lo esperado, lo cual es un resultado muy sorprendente».

Un estudio realizado por físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts sugiere que el núcleo gravitacional de la Vía Láctea puede tener una masa más ligera y contener menos materia oscura de lo que se pensaba anteriormente. Fuente de la imagen: ESA/Gaia/DPAC, editada por MIT News

Desafiando las teorías de la materia oscura

El equipo tradujo la nueva curva de rotación en una distribución de materia oscura que podría explicar la desaceleración de las exoestrellas, y descubrió que el mapa resultante producía un núcleo de galaxia más ligero de lo esperado. Es decir, el centro de la Vía Láctea puede ser menos denso y contener menos materia oscura de lo que piensan los científicos.

«Esto pone este resultado en tensión con otras mediciones», dice Najeeb. «Hay algo sospechoso en alguna parte, y es realmente interesante descubrir dónde está, para obtener una imagen coherente de la Vía Láctea».

El equipo anuncia sus resultados este mes en Avisos mensuales del Journal of the Royal Society. Los coautores del estudio del MIT, incluido Nassib, son la primera autora Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers y Anna Friebel.

«en la nada»

Como la mayoría de las galaxias del universo, la Vía Láctea gira como agua en un vórtice, y su rotación es impulsada en parte por toda la materia que gira dentro de su disco. En la década de 1970, la astrónoma Vera Rubin fue la primera en notar que las galaxias giran de maneras que no pueden ser impulsadas por materia puramente visible. Ella y sus colegas midieron la velocidad de rotación de las estrellas y descubrieron que las curvas de rotación resultantes eran sorprendentemente planas. Esto significa que la velocidad de las estrellas se mantuvo igual en toda la galaxia, en lugar de disminuir con la distancia. Concluyeron que otro tipo de materia invisible debe estar afectando a estrellas distantes para darles un impulso extra.

El trabajo de Rubin sobre las curvas de rotación fue una de las primeras pruebas sólidas de la existencia de materia oscura, una entidad invisible y desconocida que se estima que pesa más que todas las estrellas y otra materia visible en el universo.

Desde entonces, los astrónomos han observado curvas planas similares en galaxias distantes, lo que respalda la existencia de materia oscura. Sólo recientemente los astrónomos han intentado trazar la curva de rotación de nuestra galaxia con estrellas.

«Resulta que es difícil medir la curva de rotación cuando estás sentado dentro de una galaxia», dice Au.

Nuevos conocimientos a partir de los datos de Gaia

En 2019, Anna Christina Ehlers, profesora asistente de física en el MIT, trazó la curva de rotación de la Vía Láctea utilizando un conjunto previo de datos del satélite Gaia. Esta publicación de datos incluyó estrellas a hasta 25 kiloparsecs, o unos 81.000 años luz, del centro galáctico.

Basándose en estos datos, Ehlers observó que la curva de rotación de la Vía Láctea parece plana, aunque con una ligera caída, similar a la de otras galaxias distantes y, por inferencia, la galaxia probablemente tenga una alta densidad de materia oscura en su núcleo. Pero esa opinión ha cambiado ahora, ya que el telescopio ha publicado un nuevo conjunto de datos, esta vez incluyendo estrellas tan distantes como 30 kiloparsecs, aproximadamente a 100.000 años luz del núcleo galáctico.

«A estas distancias, estamos en el borde de la galaxia, donde las estrellas comienzan a desvanecerse», dice Fripple. «Nadie ha explorado cómo se mueve la materia en esta galaxia exterior, donde estamos literalmente en la nada».

Extraña tensión

Frebel, Naguib, Au y Ehlers se lanzaron a los nuevos datos de Gaia, buscando ampliar la curva de rotación inicial de Ehlers. Para mejorar su análisis, el equipo complementó los datos de Gaia con mediciones realizadas por APOGEE, el Experimento de Evolución de Galaxias del Observatorio Apache Point, que mide propiedades muy detalladas de más de 700.000 estrellas de la Vía Láctea, como su brillo, temperatura y composición elemental.

«Introducimos toda esta información en un algoritmo para intentar aprender conexiones que luego puedan darnos mejores estimaciones de la distancia a la estrella», explica Au. «Así es como podemos seguir avanzando».

El equipo determinó las distancias precisas de más de 33.000 estrellas y utilizó estas mediciones para crear un mapa 3D de estrellas repartidas por la Vía Láctea hasta unos 30 kiloparsecs. Luego combinaron este mapa en un modelo de velocidad circular, simulando la velocidad a la que debería moverse cualquier estrella, teniendo en cuenta la distribución de todas las demás estrellas de la galaxia. Luego trazaron la velocidad y distancia de cada estrella en un gráfico para producir una curva de rotación actualizada para la Vía Láctea.

“Aquí vino lo extraño”, dice Naguib.

En lugar de ver una ligera caída como en las curvas de rotación anteriores, el equipo notó que la nueva curva caía más fuerte de lo esperado en el extremo exterior. Esta disminución inesperada indica que, si bien las estrellas pueden viajar a la misma velocidad en una distancia determinada, de repente disminuyen su velocidad a distancias mayores. Las estrellas en los suburbios parecen moverse más lentamente de lo esperado.

Explora los secretos de la galaxia.

Cuando el equipo tradujo esta curva de rotación a la cantidad de materia oscura que debería estar presente en toda la galaxia, descubrieron que el núcleo de la Vía Láctea puede contener menos materia oscura de lo estimado anteriormente.

«Este resultado no coincide con otras mediciones», afirma Najeeb. «Comprender realmente este resultado tendrá profundas ramificaciones. Esto podría conducir a más masas ocultas más allá del borde del disco galáctico, o a una revisión del estado de equilibrio de nuestra galaxia. Buscamos encontrar estas respuestas en próximos trabajos, utilizando imágenes de alta resolución». Simulaciones de galaxias similares a la Vía Láctea.

Referencia: “Imagen de la materia oscura de la Vía Láctea inferida de su curva de velocidad circular” por Xiaowei Ou, Anna-Kristina Ehlers, Lena Naguib y Anna Friebel, 8 de enero de 2024. Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/mnras/stae034

Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias.