Las estrellas exteriores más lentas de la Vía Láctea sugieren que la materia oscura está sobreestimada

MITel estudio muestra el exterior vía Láctea las estrellas giran más lentamente, lo que indica un núcleo más claro con menos materia oscura, lo que contradice hipótesis anteriores.

Al medir la velocidad de las estrellas a lo largo de la Vía Láctea, los físicos del MIT han descubierto que las estrellas más alejadas en el disco galáctico viajan más lento de lo esperado que las estrellas más cercanas al centro de la galaxia. Los hallazgos plantean una posibilidad sorprendente: el núcleo gravitacional de la Vía Láctea puede tener una masa más ligera y contener menos materia oscura de lo que se pensaba anteriormente.

Los nuevos hallazgos se basan en el análisis realizado por el equipo de los datos recopilados por los instrumentos Gaia y APOGEE. Gaia es un telescopio espacial en órbita que rastrea la ubicación, la distancia y el movimiento precisos de más de mil millones de estrellas a través de la Vía Láctea, mientras que APOGEE es un telescopio terrestre. Los físicos analizaron las mediciones de Gaia de más de 33.000 estrellas, incluidas algunas de las estrellas más distantes de la galaxia, y determinaron la «velocidad circular» de cada estrella: la velocidad a la que una estrella gira en el disco galáctico, dada la distancia a la galaxia. desde el centro de la galaxia. .

Entendiendo la rotación galáctica

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

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

Un estudio realizado por físicos del MIT 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. Créditos: ESA/Gaia/DPAC, editado 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 estrellas exteriores, y descubrió que el mapa resultante producía un núcleo galáctico más ligero de lo esperado. Es decir, el centro de la Vía Láctea puede ser menos denso y con menos materia oscura de lo que pensaban los científicos.

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

El equipo informa sus hallazgos este mes en Avisos mensuales del Royal Society Journal. Los coautores del estudio del MIT, incluido Necib, son el primer autor Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers y Anna Frebel.

«En 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 observar que las galaxias giran de maneras que no pueden ser impulsadas únicamente por la materia visible. Ella y sus colegas midieron las velocidades circulares de las estrellas y descubrieron que las curvas de rotación resultantes eran sorprendentemente planas. Es decir, la velocidad de las estrellas se mantuvo igual en toda la galaxia, en lugar de disminuir con la distancia. Llegaron a la conclusión de que algún otro tipo de materia invisible debe estar actuando sobre estrellas distantes para darles un impulso adicional.

El trabajo de Rubin sobre las curvas de rotación fue una de las primeras pruebas claras de la existencia de materia oscura, una entidad invisible y desconocida que se estima supera en número a 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 aún más la presencia de materia oscura. Sólo recientemente los astrónomos han intentado trazar la curva de rotación de nuestra galaxia con estrellas.

«Resulta que es más difícil medir una curva de rotación cuando estás dentro de una galaxia», señala Ou.

Nuevos conocimientos de Gaia Data

En 2019, Anna-Christina Eilers, profesora asistente de física en el MIT, trabajó para trazar la curva de rotación de la Vía Láctea, utilizando un conjunto anterior de datos publicados por el satélite Gaia. Los datos publicados incluían estrellas de hasta 25 kiloparsecs, o unos 81.000 años luz, del centro de la galaxia.

Con base en estos datos, Eilers observó que la curva de rotación de la Vía Láctea parecía ser plana, aunque con un ligero descenso, similar a otras galaxias distantes, y por inferencia, la galaxia probablemente contenía una alta densidad de materia oscura en su centro. Pero esta visión ahora ha cambiado, ya que el telescopio publicó un nuevo conjunto de datos, esta vez incluyendo estrellas de hasta 30 kiloparsecs, a casi 100.000 años luz del núcleo de la galaxia.

«A estas distancias, estamos justo en el borde de la galaxia, donde las estrellas empiezan a escasear», dice Frebel. «Nadie había explorado cómo se mueve la materia en esta galaxia exterior, donde realmente estamos en la nada».

Extraña tensión

Frebel, Necib, Ou y Eilers utilizaron los nuevos datos de Gaia, intentando ampliar la curva de rotación inicial de Eilers. Para refinar su análisis, el equipo integró datos de Gaia con mediciones de APOGEE, el Experimento de Evolución Galáctica del Observatorio Apache Point, que mide propiedades extremadamente 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 una estrella», explica Ou. «Para que podamos esforzarnos a distancias más lejanas».

El equipo estableció distancias precisas a más de 33.000 estrellas y utilizó estas mediciones para generar un mapa tridimensional de estrellas repartidas por la Vía Láctea hasta unos 30 kiloparsecs. Luego incorporaron este mapa en un modelo de velocidad circular, para simular qué tan rápido debe viajar una estrella, dada la distribución de todas las demás estrellas de la galaxia. Luego trazaron la velocidad y la distancia de cada estrella en un gráfico para producir una curva de rotación actualizada de la Vía Láctea.

«Aquí es donde entró la rareza», dice Necib.

En lugar de ver una ligera disminución como las curvas de rotación anteriores, el equipo observó que la nueva curva descendía más pronunciadamente de lo esperado en el extremo exterior. Esta caída inesperada sugiere que, si bien las estrellas pueden viajar igual de rápido hasta una cierta distancia, de repente se desaceleran a distancias mayores. Las estrellas en las afueras parecen viajar más lentamente de lo esperado.

Explorando misterios galácticos

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

«Este resultado contrasta con otras mediciones», afirma Necib. “Comprender verdaderamente este resultado tendrá profundas repercusiones. Esto podría conducir a la presencia de más masas ocultas justo más allá del borde del disco galáctico, o a una reconsideración del estado de equilibrio de nuestra galaxia. Buscamos encontrar estas respuestas en próximos trabajos, utilizando simulaciones de alta resolución de galaxias similares a la Vía Láctea».

Referencia: “El perfil de materia oscura de la Vía Láctea inferido de su curva de velocidad circular” por Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers, Lina Necib y Anna Frebel, 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.