Una galaxia sin materia oscura

Dibujo20180328 NGC1052-DF2 in the Dragonfly field nature doi 10 1038 nature25767

Las teorías de gravedad modificada (tipo MOND y entrópicas tipo Verlinde) afirman que la materia oscura aparece como un efecto gravitacional de la materia bariónica. Por tanto, donde haya materia bariónica tiene que haber materia oscura. Se publica en Nature que la galaxia ultradifusa NGC1052–DF2 con una masa estelar de 200 millones masas solares y una masa total dentro de un radio de 7,6 kilopársecs menor de 340 millones de masas solares. Por tanto, en apariencia, esta galaxia ultradifusa no tiene materia oscura (parece haberla perdido vía canibalismo galáctico, es decir, en sus interacciones gravitacionales con la galaxia elíptica cercana NGC1052).

Sin lugar a dudas, otro duro varapalo para las teorías de gravedad modificada que tienen que lidiar con galaxias ultradifusas con y sin materia oscura, pero similar masa bariónica. Por supuesto, como siempre, habrá que esperar a medidas más precisas para determinar un límite superior más preciso para la cantidad total de materia oscura en NGC1052–DF2. El artículo es Pieter van Dokkum, Shany Danieli, …, Jielai Zhang, “A galaxy lacking dark matter,” Nature 555: 629–632 (29 Mar 2018), doi: 10.1038/nature25767, arXiv:1803.10237 [astro-ph.GA]. [PS 29 Mar 2018] A nivel divulgativo recomiendo leer a Phil Plait, @BadAstronomer, ” What is this galaxy doing without a dark matter halo?” SyFy Wire, 28 Mar 2018, de donde Isaac Lozano‏ destaca: “Ciertamente curiosa: más grande que la mayoría de galaxias enanas, más difusa que la mayoría, con cúmulos globulares extrañamente más brillantes y sin materia oscura…”. [/PS]

Por cierto,el MONDiano Stacy McGaugh, @DudeDarkmatter, afirma que la idea MOND podría explicar esta galaxia sin problemas. Como recordarás, esta modificación de la ley de Newton con una aceleración mínima solo predice efectos similares a la materia oscura en las regiones de la galaxia donde la aceleración alcanza dicho mínimo; según McGaugh, el nuevo artículo no ha estimado la aceleración de NGC1052–DF2 debida a la atracción gravitacional de la galaxia NGC1052, que bien podría ser superior a la aceleración mínima de MOND. Gracias a ello, la idea MOND podría sobrevivir sin problemas. Futuros estudios estudios computacionales y futuras observaciones de precisión tendrán que estimar dicho efecto. Más información en Emily Conover, “Dark matter is MIA in this strange galaxy,” New Scientist, 28 Mar 2018. Así que si eres defensor de MOND y cía., puedes apuntarte, por ahora, a la explicación de McGaugh. Y si quieres leer un artículo que te apoye, te recomiendo David R. Cole, Walter Dehnen, …, Mark I. Wilkinson, “The mass distribution of the Fornax dSph: constraints from its globular cluster distribution,” MNRAS 426: 601–613 (2012), doi: 10.1111/j.1365-2966.2012.21885.x, arXiv:1205.6327 [astro-ph.CO].

[PS 04 Abr 2018] Recomiendo leer a Stacy McGaugh, “The dwarf galaxy NGC1052-DF2,” Triton Station, 02 Apr 2018. [/PS]

[PS 29 Mar 2018] Nuestro astrónomo cordobés de cabecera, Ángel R. López Sánchez, @El_Lobo_Rayado, en su tesis doctoral “Formación de estrellas masivas en galaxias Wolf-Rayet enanas”, defendida en 2006 en la Universidad de La Laguna, España, estudió 20 galaxias de tipo Wolf-Rayet para desvelar su naturaleza como galaxias enanas de marea (tidal dwarf galaxies) y descubrir algunas deficientes en materia oscura; por desgracia, no lo logró. En un futuro podcast de Coffee Break: Señal y Ruido nos hablará de ellas. [/PS]

[PS 07 Abr 2018] El gran problema a resolver es la distancia a la que se encuentra DF2 de la Tierra; si se encontrara a la mitad de distancia que NGC1052, se trataría de una galaxia enana ultradifusa típica (con una masa y luminosidad típica, con cúmulos globulares típicos y con materia oscura). Por desgracia estimar esta distancia no es nada fácil y el método de calibración de la distancia usado por los autores del artículo ha sido muy criticado por otros astrónomos. Como nos cuentan en el episodio 157 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [web, iVoox]. Que sus cúmulos globulares son bastante enigmáticos se ha publicado por los propios autores en Pieter van Dokkum, Yotam Cohen, …, Deborah Lokhorst, “An Enigmatic Population of Luminous Globular Clusters in a Galaxy Lacking Dark Matter,” ApJL 856: L30 (2018), doi: 10.3847/2041-8213/aab60b. Se espera que futuras estimaciones de la distancia usando el telescopio espacial Hubble aclararán si DF2 es tan anómala como parece, o bien una galaxia enana típica. [/PS]

[PS 16 Abr 2018] Los defensores de MOND disfrutarán con el artículo de sus tres gurús B. Famaey, S. McGaugh, M. Milgrom, “MOND and the dynamics of NGC1052-DF2,” arXiv:1804.04167 [astro-ph.GA]. [/PS]

Dibujo20180328 hst advanced camera for surveys acs image NGC1052–DF2 nature doi 10 1038 nature25767

NGC1052–DF2 se observa como una galaxia de bajo brillo superficial en el Dragonfly Telephoto Array, pero parece una colección de estrellas (puntos brillantes) en los datos del SDSS (Sloan Digital Sky Survey). En el nuevo trabajo se han combinado observaciones del Observatorio W. M. Keck de 10 metros y del Telescopio Espacial Hubble (HST). La galaxia enana NGC1052–DF2 está ligada a la galaxia NGC 1052, que se encuentra entre 19,4 y 21,4 Mpc; en este trabajo se ha tomado como distancia D ≈ 20 Mpc. Su magnitud es M606 = −15,4, y su luminosidad total es LV= 1,1 × 108 luminosidades solares.

Dibujo20180328 constraints on the halo mass NGC1052–DF2 nature doi 10 1038 nature25767

La masas solares de la galaxia NGC1052–DF2 se han determinado usando dos métodos diferentes. El resultado es sorprendente pues la masa de su halo parece coincidir con su masa estelar. En lugar del perfil de Navarro–Frenk–White (NFW) para los halos galácticos, cuya masa total es mucho mayor que su masa estelar, siendo casi igual a su masa oscura. La figura derecha muestra varias galaxias ultradifusas con la masa total en negro y la masa oscura en gris; en naranja se observa la NGC1052–DF2 cuya masa total está dominada por la masa bariónica, siendo su contenido en materia oscura unas 400 veces (al 90% CL) menor de lo esperado para una galaxia ultradifusa de su tipo.

Dibujo20180328 dragonfly gemini NGC1052–DF2 nature doi 10 1038 nature25767

Por tanto, NGC1052–DF2 es una galaxia ultradifusa extremadamente deficiente en materia oscura. Hasta el punto que se puede considerar un buen candidato a galaxia bariónica, es decir, galaxia sin materia oscura. Por supuesto, futuros estudios tendrán que confirmarlo. ¿Por qué no tiene materia oscura? Porque la ha perdido en sus interacciones con la galaxia NGC 1052 a la que orbita; según los modelos teóricos las galaxias enanas pierden materia oscura debido a sus interacciones de marea gravitacional y tras múltiples interacciones puede llegar a desaparecer por completo. Por supuesto, futuras simulaciones por ordenador son necesarias para verificar esta hipótesis.

En resumen, la existencia de NGC1052–DF2, del Cúmulo de la Bala y otros sistemas similares implica que modificar la gravitación para lograr que la materia bariónica explique los efectos observables de la materia oscura raya lo imposible. Nunca digas nunca jamás.

[PS 16 Abr 2018] El primer autor del artículo en Nature nos cuenta su historia de primera mano en Pieter van Dokkum, “NGC1052-DF2: supplementary information,” Blog. Además de incluir nuevas figuras y una discusión detallada sobre la aparición de la explicación MOND en su artículo, también nos confiesa que su título original era “una galaxia deficiente en materia oscura”, pero que el editor de Nature les sugirió un título más sensacionalista, “una galaxia sin materia oscura”.

“It is perhaps worth emphasizing that we do not (and cannot) make the claim that DF2 has no dark matter —merely that the galaxy has a far lower dark matter content than expected from the canonical relations between stellar mass and halo mass. The title was carefully chosen, as “lacking” can mean “having none” but also “having too little of”. (In fact, in the editorial process the title was briefly changed to “A galaxy without dark matter” but we made sure that was changed back into “A galaxy lacking dark matter”.) In the abstract, it is stated that the ratio between dark and normal matter is “of order unity” (as opposed to “of order 100″, as is clear from context), and in the main text we state it is a candidate for a baryonic galaxy.”

Dibujo20180416 Unbinned velocities ngc1052-df2 pietervandokkum com

Esta figura muestra las curvas de dispersión de velocidad de los 10 cúmulos globulares que se han usado para estimar el contenido en materia oscura del halo de esta galaxia ultradifusa. La dispersión de las velocidades se encuentra entre 8,8 km/s < σ < 10,5 km/s (curva continua de la izquierda), con una mediana en 9,5 km/s. Se observa que GC-98 parece un espurio; pero su eliminación modifica poco el resultado 6,8 km/s < σ < 11,4 km/s (curva a trazos a la izquierda). A la derecha se presenta en rojo lo que se esperaría para las galaxias del grupo local (línea roja continua) y para la galaxia ultradifuja Dragonfly 44 (línea roja a trazos).

Según las predicciones de MOND se espera un valor para la mediana de σ = 13,4 km/s, con una dispersión similar a la observada; lo que está a menos de dos sigmas del valor σ < 10,5 km/s aparecido en el artículo de Nature. Según nos cuenta van Dokkum, este cálculo iba a aparecer en el resumen (abstract) de su artículo en Nature, pero el editor les pidió que lo omitieran (solo mencionan MOND en la sección final de su artículo, como de pasada).

En resumen, recomiendo la lectura de sus comentarios, que no tienen desperdicio. [/PS]


22 Comentarios

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NuezmoscadaNuezmoscada

Hola Francis, muchas gracias por la entrada, genial como siempre. Aunque me surge una duda: comentas que la masa se ha medido con dos métodos distintos. Cuáles? Y son totalmente independientes? En el abstract sólo se comenta que se utilizan velocidades radiales de cúmulos globulares (en ambos métodos?), pero muy a mi pesar no tengo acceso a Nature. Gracias por adelantado.

Francisco R. Villatoro

Nuezmoscada, hoy en día es fácil acceder a artículos de Nature sin suscripción académica (p. ej. arXiv:1803.10237 [astro-ph.GA]). En cualquier caso, te copio: “We calculate the corresponding 90% confidence upper limit on the mass of NGC1052–DF2 using the tracer mass estimator (TME) method [16], which provides an estimate of the dynamical mass within the radius of the outermost discrete tracer. We also determine the dynamical mass within the projected half-number radius of the globular cluster system [17]”. Las referencias [16] y [17] las tienes gratis en https://www.nature.com/articles/nature25767 .

JaviJavi

Hola Francis,
la estimación de la masa virial de esta galaxia se ha hecho usando espectroscopía de sus cúmulos globulares. Es decir, midiendo la velocidad radial de sus cúmulos globulares se ha llegado a obtener un valor de dispersión cuya masa virial inferida es similar a la masa estelar. Para ello se han usado 11 cúmulos globulares. Cabe decir que explicaciones tan sencillas tales como que por alguna razón, o por simple coincidendia los cúmulos globulares tengan su velocidad en un plano perpendicular a la línea de visión, o simple fluctuación estadística, este resultado aparecería, incluso teniendo esta galaxia una gran cantidad de materia oscura. Como siempre nature peca de optimismo.
Saludos.

César Arroyo CárdenasCésar Arroyo Cárdenas

Hola. Estaba discutiendo tu comentario con algunos compañeros, en particular esa parte de que si los cúmulos tuviesen su velocidad perpendicular a la línea de visión se observaría este resultado así sea que hubiese mucha materia oscura. Uno de mis compañeros señalaba que la curva de rotación se vería afectada si viéramos la rotación con cierta inclinación por un término del tipo$\cos\theta$, que aplicaría a todo lo que se mueve en la galaxia. Por lo que de igual forma se mantendría un perfil kepleriano en la curva de rotación (la que sí decae en función del radio) lo que sería igual de consistente con falta de materia oscura. Por lo tanto, ese argumento no aplicaría en este caso. Aplicaría solo en el caso que los cúmulos se moviesen de manera totalmente independiente de la galaxia. Si estoy equivocado házmelo saber por favor.

¡Saludos!

Gabriel DomínguezGabriel Domínguez

Hola, Francis. Dices: “las galaxias enanas pierden materia oscura debido a sus interacciones de marea gravitacional y tras múltiples interacciones puede llegar a desaparecer por completo”. ¿A qué se debe esta mayor “volatilidad” de la materia oscura?

Francisco R. Villatoro

Según los modelos teóricos, Gabriel, cada vez que la galaxia enana cruza el plano galáctico de la gran galaxia pierde masa (tidal streams) por interacción gravitacional; como su masa original es casi toda oscura, lo que más pierde por es oscura. Así surgen en los modelos galaxias enanas deficientes en materia oscura en estos modelos.

AntonioAntonio

¿No debería perder proporcionalmente la misma cantidad de masa bariónica por ese mecanismo? (¿o incluso algo más debido a la interacción del campo magnético galáctico?)

pepito2pepito2

Pero la materia oscura tendrá que tener algo diferente para que se pueda separar de la materia ordinaria mediante gravedad. De la misma forma que los planetas pequeños tipo mercurio pierden atmósfera pero no elementos sólidos.

PelauPelau

La materia oscura no interacciona (o lo hace MUY débilmente) con las fuerzas electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte.

O sea que la materia ordinaria puede ser acelerada por la gravedad… y por otras 3 interacciones, todas ellas MUCHO más intensas que la gravedad.

Además, en principio la materia oscura es más cuantiosa y menos densa (buscad “cold dark matter” y “warm dark matter”).

Saludos.

U-95U-95

NGC 1052 es una galaxia eliptica gigante, mucho mas masiva que la galaxia tratada aqui, y en la orbita de la galaxia enana alrededor de la grande cuando pasa cerca le arranca materia. Si pasa lejos sera el halo, que esta gravitatoriamente menos unido a ella, y si cerca empezara a afectar al cuerpo de la galaxia en si (estrellas, algo que se puede ver en algunos casos).

Se supone ademas que hay galaxias espirales (y masivas ademas a veces) con poca materia oscura debido al aspecto de sus curvas de rotacion. No se si la diferencia de estas incluso entre galaxias de caracteristicas similares seria un problema para MOND y similares.

PelauPelau

MOND y similares tienen problemas siempre que hay más o menos materia oscura de lo normal, pues significa que sobra o falta “algo” que la gravitación de la materia ordinaria por sí sola no puede explicar.

Saludos.

DostrescatorceDostrescatorce

Hola.
¿Se podría entender la materia oscura como una región del espacio más “densa”? No me refiero a más materia, si no a que realmente el espacio no fuera homogeneo como siempre se dice. Y en tal caso ¿qué efectos tendría?

Gracias. Un saludo.

pepito2pepito2

Pues en su proximidad sería un espacio-tiempo curvo, pero no sería nada del otro mundo, pues la gravedad hace precisamente eso, curvar el espacio, como por ejemplo hace el sol. A grandes distancias el espacio tendería a ser euclidiano. Salvo que estuviese muy concentrada, en cuyo caso produciría un agujero negro.

Álex GamaÁlex Gama

Hola,
Como profano tengo muchas cuestiones sobre la materia oscura (muchas más de lo normal). ¿La materia oscura interactúa consigo misma gravitacionalmente? Entiendo que sí, entonces, ¿podría haber agujeros negros de materia oscura? Entiendo que sí, aunque supongo que serían agujeros negros mixtos materia bariónica/oscura. De hecho, entiendo que todos los agujeros negros tienen materia bariónica y oscura. ¿Se ha medido la materia oscura en las inmediaciones de un agujero negro?¿La materia oscura “emite” radiación Hawkings al caer en uno?
Gracias y un saludo.
Gracias por los artículos.

Francisco R. Villatoro

Álex pregunta: “¿La materia oscura interactúa consigo misma gravitacionalmente?” Por supuesto, todo lo que tiene energía (y la masa es energía) interacciona consigo vía la gravitación. “¿Podría haber agujeros negros de materia oscura?” Los agujeros negros son espaciotiempo curvado, es decir, energía gravitacional almacenada en forma de curvatura; un agujero negro puede “tragar” materia oscura transformando su energía en curvatura, igual que cualquier otra cosa que tenga energaí. “agujeros negros mixtos”, no, todos los agujeros negros son solo espaciotiempo curvado, sin más. “¿Se ha medido la materia oscura en las inmediaciones de un agujero negro?” No, porque los agujeros negros son muy pequeños, y nunca hemos podido observar el entorno de un agujero negro. Lo más cerca que hemos llegado es a Sagitario A*, cuyo diámetro es menor que la órbita de Mercurio, pero que hemos observado con una resolución espacial (hasta ahora) comparable a la órbita de Neptuno. “¿La materia oscura “emite” radiación Hawkings al caer en uno?” No, tampoco lo hace la materia bariónica. La radiación Hawking emerge del entorno de un agujero negro y la “emite” el agujero negro por estar caliente. Para un agujero negro de gran masa solo se emiten partículas sin masa, como gravitones y fotones; solo emiten partículas con masa los microagujeros negros (y, por supuesto, si la materia oscura son partículas fundamentales serán emitidas en la radiación Hawking de microagujeros negros suficientemente pequeños para ello).

Saludos
Francis

Álex GamaÁlex Gama

Muchas Gracias Francisco, solo me queda una pregunta ¿Cómo se determina que es materia oscura y no varios agujeros negros que generan el mismo efecto gravitacional?

PelauPelau

Una posibilidad (no siempre aplicable) sería observar las cáusticas características de los MACHOs (que no deberían aparecer en el caso de materia oscura más uniformemente distribuida) en las microlentes gravitacionales como las usadas aquí:

http://francis.naukas.com/2018/02/09...e-noticias/
Ver la noticia Un español anuncia el descubrimiento de los primeros planetas fuera de nuestra galaxia.

Saludos.

EmanuelEmanuel

Hola Fracis… siempre leo tu blog aunque confieso que el nivel me sobrepasa. Por esa misma razón tengo muchas dudas y preguntas. Bueno… tengo dos preguntas concretas.. existe algún estudio que proponga a la materia oscura como producto de ondas gravitacionales? y por último… se ha estudiado la velocidad de nuestro sistema solar alrededor de la galaxia para saber si estamos bajo la influencia de materia oscura?
Saludos y cielos claros.

Francisco R. Villatoro

Emanuel, ¿la materia oscura como resultado de las ondas gravitacionales? Creo que no; la densidad de energía de las ondas gravitacionales a nivel cósmico es ridículamente pequeña comparada con la densidad de energía de la materia oscura. ¿Efecto de la materia oscura galáctica sobre nuestro sistema solar? Por desgracia, todavía, no podemos explorar el efecto de la materia oscura en regiones tan cercanas al centro galáctico como la posición del sistema solar (que está a solo 8 kpc, kilopársec); por debajo de 10 kpc no tenemos información fiable, aún, pues hay varios grupos de astrónomos tratando de recabarla. El halo galáctico de la Vía Láctea se está estudiando entre 20 kpc y 160 kpc. En cualquier caso, el efecto de la materia oscura sobre la velocidad del sistema solar será muy pequeño, pues se encuentra en región densa; los efectos se observan bien solo en objetos bien aislados.

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