Descubren galaxia enana y oscura oculta en imagen de lente gravitacional

14 Abril, 2016 / Tiempo de lectura: 8 minutes

Las leves distorsiones ocultas en la impresionante imagen del lente gravitacional SDP.81 generada por ALMA son indicios claros de que hay una galaxia enana merodeando en el halo de una galaxia mucho más grande situada a unos 4.000 millones de años luz. Este hallazgo sienta un precedente que permitirá a ALMA encontrar muchos más objetos similares y podría ayudar a los astrónomos a buscar respuestas para importantes preguntas sobre la naturaleza de la materia oscura.

En 2014, en el marco de la Campaña de Línea de Base de ALMA, un equipo de astrónomos estudió una serie de objetos astronómicos para poner a prueba la nueva capacidad de alta resolución del telescopio. Una de las imágenes experimentales obtenidas fue la de un anillo de Einstein, generado por la gravedad de una galaxia masiva que curva la luz emitida por otra galaxia ubicada detrás de ella, a unos 12.000 millones de años luz.

Este fenómeno, conocido como lente gravitacional, fue predicho por Einstein en la teoría de la relatividad general y constituye una poderosa herramienta para estudiar galaxias situadas tan lejos que, de no ser por este fenómeno, serían imposibles de observar. Asimismo, el lente gravitacional aporta información sobre las propiedades de la galaxia más cercana según la forma en que su gravedad distorsiona y enfoca la luz de objetos más distantes.

En un nuevo artículo que se publicará en The Astrophysical Journal, el astrónomo Yashar Hezaveh, de la Universidad Stanford (California), y su equipo explican cómo un análisis detallado de esta popular imagen reveló los rastros de una oscura galaxia enana oculta en el halo de la galaxia más cercana.

“Podemos detectar estos objetos invisibles de la misma forma que se ven gotas de lluvia en una ventana. Las ves porque distorsionan la imagen de los objetos de fondo”, explica Hezaveh. En el caso de la gota de lluvia, la distorsión de la imagen es provocada por la refracción. En esta imagen la influencia gravitacional de la materia oscura provoca distorsiones similares.

Según las teorías actuales, la materia oscura, que representa cerca del 80 % de la masa del Universo, está hecha de partículas desconocidas que no interactúan con la luz visible ni con las demás formas de radiación electromagnética. No obstante, la materia oscura tiene una masa cuantificable, de manera que se puede identificar por su influencia gravitacional.

Para llevar a cabo su análisis, los investigadores hicieron trabajar miles de computadores en paralelo durante varias semanas, incluido Blue Waters, el supercomputador más potente de la Fundación Nacional de Ciencia de EE.UU., para buscar anomalías sutiles que tuvieran un equivalente medible en cada “banda” de señales de radio. Al combinar estos datos, los investigadores obtuvieron una imagen sin precedentes del halo de la galaxia que actúa como lente —una zona difusa y prácticamente sin estrellas, alrededor de la galaxia—y descubrieron una característica aglomeración con menos de un milésimo de la masa de la Vía Láctea.

Debido a su relación con la galaxia más grande, la masa estimada y su ausencia en el espectro óptico, los astrónomos creen que esta anomalía gravitacional podría ser causada por un satélite extremadamente tenue y dominado por materia oscura. Según los modelos teóricos, la mayoría de las galaxias debería de tener numerosas galaxias enanas como esta y otros tipos de astros. Pero ha sido difícil encontrarlos. Incluso alrededor de nuestra propia Vía Láctea, los astrónomos han logrado identificar apenas unos 40 de los miles de objetos satélites que debería haber.

“Esta diferencia entre el número de satélites observados y las cantidades previstas en los modelos ha sido un gran problema para la cosmología desde hace unos veinte años, e incluso ha sido calificada como una ‘crisis’ por algunos investigadores”, señala Neal Dalal, de la Universidad de Illinois, quien forma parte del equipo. “Si estos objetos enanos están dominados por la materia oscura, esa podría ser la explicación, y nos ayudaría a entender la verdadera naturaleza de la materia oscura”, agrega.

El análisis de las observaciones del lente gravitacional SDP.81 realizadas con ALMA reveló la presencia de un misterioso objeto en el halo de la galaxia intermedia que actúa como lente. Podría tratarse de una galaxia enana y oscura. Créditos: Y. Hezaveh, Universidad Stanford; ALMA (NRAO/ESO/NAOJ); NASA/ESA Hubble Space Telescope.

Según los modelos informáticos de la evolución del Universo, al medir el nivel de “agolpamiento” de la materia oscura se puede determinar su temperatura. Por lo tanto, los astrónomos pueden contar el número de pequeñas aglomeraciones de materia oscura alrededor de galaxias distantes para medir la temperatura de la materia oscura, muy presente en el Universo.

“Si simplemente no existen esos objetos en los halos, entonces nuestro modelo actual de la materia oscura es incorrecto y tendremos que cambiar lo que pensamos y creemos saber sobre las partículas de materia oscura”, cuenta Daniel Marrone, de la Universidad de Arizona, quien también firma el artículo.

Este estudio, en cambio, sugiere que la mayoría de las galaxias enanas no puede ser detectada simplemente porque están compuestas de materia oscura invisible, y emiten poquísima o ninguna luz. “Nuestras mediciones actuales concuerdan con las predicciones sobre la materia oscura y fría", señala Gilbert Holder, de la McGill University, en Montreal (Canadá), quien participó en el estudio. “Para estar más seguros tendremos que estudiar muchos más lentes gravitacionales”, agrega.

“Esta es una excelente demostración de la capacidad de ALMA”, observa Hezaveh. “Ahora tenemos la certeza de que ALMA puede llegar a descubrir esas galaxias enanas. El próximo paso es seguir buscándolas para tener una idea de su abundancia y ver si las partículas de materia oscura podrían tener temperaturas más tibias”.

Notas

• El artículo científico “Detection of Lensing Substructure Using ALMA Observations of the Dusty Galaxy SDP.81,” de Yashar Hezaveh et al., 2016, será publicado en Astrophysical Journal
• El nombre oficial de SDP.81 es HATLAS J090311.6+003906.
• El equipo está compuesto por Yashar D. Hezaveh (Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología y Departamento de Física de la Universidad Stanford), Neal Dalal (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign), Daniel P. Marrone (Steward Observatory, Universidad de Arizona), Yao-Yuan Mao (Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología y Departamento de Física de la Universidad Stanford), Warren Morningstar (Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología y Departamento de Física de la Universidad Stanford), Di Wen (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign), Roger D. Blandford (Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología y Departamento de Física de la Universidad Stanford), John E. Carlstrom (Instituto Kavli de Cosmología Física, Universidad de Chicago), Christopher D. Fassnacht (Departamento de Física, Universidad de California), Gilbert P. Holder (Departamento de Física, McGill University), Athol Kemball (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign), Philip J. Marshall (Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología y Departamento de Física de Partículas; Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC), Norman Murray (CITA, Universidad de Toronto), Laurence Perreault Levasseur (Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología y Departamento de Física de la Universidad Stanford), Joaquín D. Vieira (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign), y Risa H. Wechsler (Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología y Departamento de Física de la Universidad Stanford).

Información adicional

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.