Halos de materia oscura: la clave para entender las galaxias

2/3/2023 de Instituto de Astrofísica de La Plata / The Astrophysical Journal.

En la imagen de fondo, una representación artística de una galaxia de disco, la cual aparece inmersa en un halo de materia oscura invisible, representado como una nube azul difusa (Créditos: ESO/L. Calçada). Inserto en el gráfico, puede apreciarse la comparación de la distribución de materia oscura (densidad) para una galaxia espiral típica predicha por el modelo de halo fermiónico (línea azul continua), comparada con otros modelos (citados en el trabajo original). Se distingue claramente que el modelo de Argüelles y sus colaboradores predice una novedosa distribución para la materia oscura, la cual es similar a la ofrecida por otros modelos en su parte externa, pero que adquiere una alta concentración hacia su interior, lo cual podría tener profundas implicancias respecto a la naturaleza de los agujeros negros supermasivos (se supone que la mayoría de las galaxias tienen un agujero negro supermasivo en sus centros). Debajo, se traza la curva de velocidad de rotación correspondiente, obtenida por el modelo en comparación con la obtenida con otros modelos (gráficos tomados del artículo científico).

Un grupo de astrónomos ha construido un modelo teórico para la distribución de la materia oscura en las galaxias, el cual predice la formación de regiones extendidas llamadas «halos». Ellos consideran que la materia oscura está compuesta por algún tipo de partícula subatómica de la clase de los «fermiones». Los fermiones constituyen un extenso grupo de partículas que engloba, por sus propiedades cuánticas, por ejemplo, a los electrones, protones o neutrones. Se los diferencia de los «bosones» por una característica cuántica llamada espín, que hace que su comportamiento sea diferente. Entre los bosones la partícula más conocida es el fotón (la partícula de luz). Los autores del modelo sólo asumen que los fermiones de materia oscura deben ser livianos (menos masivos que un electrón), ser neutros (sin carga eléctrica) y que no sienten ninguna fuerza salvo la gravedad. Así, ellos construyen su modelo usando propiedades generales de los fermiones y la gravedad, basándose directamente en la física conocida. De este modo, los investigadores muestran que el modelo de halo de materia oscura fermiónica es capaz de explicar, simultáneamente, muchas de las propiedades observadas en la materia normal (la cual no es suficiente para dar cuenta de las mismas), tales como su distribución y sus movimientos en diferentes clases de galaxias.

Uno de los resultados más importantes del trabajo se refiere a la rotación de aquellas galaxias cuya materia se distribuye en forma de un disco chato (un disco en rotación, compuesto por miles de millones de estrellas y nebulosas de gas y polvo, como se ve en la figura). En esos casos, el modelo puede dar cuenta de cómo rotan las estrellas pertenecientes a estos discos galácticos bajo la influencia del halo de materia oscura, detallando sus velocidades desde sus regiones más internas hasta los bordes exteriores. Los astrónomos usan un gráfico de la velocidad de rotación con respecto a la distancia al centro de la galaxia: una «curva de rotación galáctica» (ver figura inserta). Por ejemplo, si las estrellas y componentes de la región central de una galaxia rotan más rápidamente que las estrellas de los bordes de la galaxia, la curva de rotación tendrá una forma decreciente. Justamente, la materia oscura se descubrió (allá por los años ’60 y ’70) porque las curvas de rotación tenían una forma peculiar. Eran aproximadamente planas en sus regiones externas, lo que requería de la existencia de mucha más materia que la observada.

Una de las predicciones más importantes que obtienen es, precisamente, la distribución de materia oscura desde el centro galáctico hacia su periferia. El modelo de halo fermiónico predice una distribución esférica de materia oscura heterogénea, la cual se encuentra altamente concentrada hacia el centro, siendo mas diluida hacia la región externa ocupada por el disco. Este resultado está en concordancia con las observaciones de curvas de rotación galactica (cuyos datos sólo son accesibles en las partes externas), mientras que arroja una novedosa predicción respecto de su distribución en la parte mas central. Esta última no puede ser reproducida por otros modelos de materia oscura basados en simulaciones numéricas de muchos cuerpos puntuales de masa, las cuales se utilizan en la actualidad (ver la figura inserta).

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