La solución al problema de las galaxias satélite de la Vía Láctea

Dibujo20141009 star orbits - milky way - halo - bulge - disk - addison weslay 2004

En el año 2000 se pensaba que el halo de materia oscura de nuestra galaxia, la Vía Láctea, tenía una masa de unos 2 billones de masas solares. Usando este valor los modelos de formación galáctica predicen un número de galaxias satélites (o enanas) mucho mayor del observado. O no vemos las que faltan, o el modelo de materia oscura tiene un gran problema.

La solución más sencilla a este grave problema es que hayamos calculado mal la masa de la materia oscura del halo. Si la masa del halo fuera justo la mitad, sólo un billón de masas solares, el problema estaría resuelto. Desde el año 2006 se han publicado varios estudios que estiman la masa del halo galáctico y que confirman esta hipótesis. Para mi sorpresa, cada vez que se publica alguno nuevo muchos medios vuelven a contar la misma historia («A Slimmer Milky Way Revealed by New Measurements,» Phys.org, 17 Jun 2008; «Dark matter half what we thought, say scientists,» Phys.org, 09 Oct 2014; y otros).

La última medida de la masa del halo de materia oscura de nuestra galaxia ha sido obtenida por Prajwal R. Kafle (Univ. Western Australia) y su grupo. Se basa en estrellas gigantes rojas (P. R. Kafle, S. Sharma, G. F. Lewis, J. Bland-Hawthorn, «On the Shoulders of Giants: Properties of the Stellar Halo and the Milky Way Mass Distribution,» The Astrophysical Journal, 794: 59, 10 Oct 2014; arXiv: 1408.1787). El nuevo resultado confirma un resultado previo del propio Kafle con estrellas azules (P. R. Kafle, S. Sharma, G. F. Lewis, J. Bland-Hawthorn, «Kinematics of the stellar halo and the mass distribution of the Milky Way using BHB stars,» The Astrophysical Journal 761:98, 2012arXiv:1210.7527) y otros resultados previos independientes (como X.-X. Xue et al., «The Milky Way’s Circular Velocity Curve to 60 kpc and an Estimate of the Dark Matter Halo Mass from Kinematics of ~2400 SDSS Blue Horizontal Branch Stars,» The Astrophysical Journal 684: 1143, 2008arXiv:0801.1232).

Dibujo20141009 Radial velocity dispersion profile stellar halo - bhb estimates segue - astrophys j

Medir la masa del halo galáctico de materia oscura es muy difícil por muchas razones. Hay que usar estrellas (gigantes azules o gigantes rojas) cuya órbita está muy alejada del centro galáctico, con lo que la incertidumbre en su distancia y velocidad es grande. Hay que separar la contribución de la materia oscura de las del agujero negro supermasivo Sgr A*, del bulbo galáctico y de la materia bariónica del disco galáctico, lo que requiere usar un modelo matemático (normalmente se usa la ecuación de Jeans y el modelo de disco con bulbo de Miyamoto-Nagai). Y además hay otras fuentes de errores sistemáticos que incrementan el error. Como resultado, la precisión de las medidas ha sido bastante pobre hasta el último lustro.

Cerca del año 2000 se estimaba que la masa del halo galáctico de materia oscura era de unos 2 ± 1 billones de masas solares. Un error enorme que se ha reducido gracias al estudio de los grandes catálogos de estrellas como SDSS (Sloan Digital Sky Survey) y SEGUE (Sloan Extension for Galactic Understanding and Exploration). Por ejemplo, en 2008, Xue et al. usaron estrellas gigantes azules en los datos de SDSS DR6 para obtener 1,0 ± 0,3 billones de masas solares. En 2012, Kafle et al. también usaron estrellas azules en SDSS/SEGUE para obtener 0,9 ± 0,3 billones de masas solares. Y ahora en 2014, Kafle et al. han usado estrellas gigantes rojas en SDSS/SEGUE obteniendo 0,8 ± 0,3 billones de masas solares (más concretamente 0,8 +0,3 –0,1).

Dibujo20141009 dark matter viral mass versus predictions with theoretical models - astrophys j

Todos estos resultados indican que la solución al problema de las galaxias satélites está en una estimación precisa de la masa del halo galáctico. Los modelos de evolución galáctica que tienen en cuenta la materia oscura según el modelo cosmológico de consenso (ΛCDM) predicen el número correcto de galaxias satélites alrededor de la Vía Láctea cuando se usa la masa correcta para el halo.

El nuevo trabajo divide las 5140 estrellas rojas de la Vía Láctea estudiadas en tres regiones: bulbo, disco y halo. El modelo teórico para su movimiento tiene parámetros diferentes en cada región. Para estimar la masa de la materia oscura las más importantes son las últimas, pero para descontar el efecto del bulbo y del disco hay que tener en cuenta a las primeras. No quiero entrar en detalles técnicos, ni discutir las fuentes de sesgos y errores sistemáticos. Lo único que quiero destacar es que los errores son muy grandes porque aún hay mucha incertidumbre. Volverá a ser noticia en el futuro que una nueva medida de la masa del halo galáctico de materia oscura «soluciona» el problema del bajo número de galaxias satélite.



8 Comentarios

  1. La cuestión fundamental que no entiendo, Francis, es la incertidumbre con respecto al número de galaxias satélites de la Vía Láctea… ¿no pueden vislumbrarse desde algún observatorio astronómico?…¿acaso se encuentran en nuestro mismo plano galáctico? ¿hay alguna interacción gravitatoria de nuestra galaxia para la que no existe aún explicación? En fin, que no entiendo el quid de la cuestión que discute el artículo. ¿Podrías iluminarnos con tu inconmensurable sapiencia, Francis?

    1. Bonzo, el problema es que las simulaciones cosmológicas predecían un número de galaxias satélite muchísimo mayor al observado para la Vía Láctea (un par de docenas). Que no se hubiesen encontrado más significaría, por ejemplo, que nuestros modelos de materia oscura estaban mal, o que realmente hay más galaxias satélite de las que podemos ver porque algún proceso las vacía de material para formar estrellas y están formadas casi exclusivamente de materia oscura. Es un punto de tensión que existía entre predicciones teóricas (simulaciones) y observaciones.

      1. Gracias por tu respuesta, DarkSapiens. Al parecer, en lo que respecta a modelar y validar, todo es empezar… pero sin ánimo de insistir más en ello, ¿conoces las discrepancias entre el modelo físico y las pruebas empíricas recopiladas? Y en tal caso, como pareces un experto en la materia, ¿podrías explicarlo «grosso modo» y en lenguaje apto para profanos?

  2. Otra posibilidad para explicar la carencia de galaxias satélite es que no las encontremos al ser galaxias esferoidales enanas muy pequeñas -en masa y número de estrellas- y difusas. Eso y que además algunas estén en el plano galáctico o cerca, donde el polvo interestelar de la Vía Láctea las ocultaría y las volvería invisibles, al menos en luz visible.

  3. Francis, no sabía que rebajando la masa del halo de la Vía Láctea de esta forma desaparecía el problema de los subhalos. Y me resulta preocupante porque está relacionado tangencialmente con un apartado de mi tesis doctoral, de modo que no sabes cuánto te agradezco que hayas hecho esta reseña. Le echaré un vistazo al artículo con detenimiento.

  4. Tal parece que siempre habrá un peso muy grande para la incetidumbre, pues recuerde que no podemos «ver» a traves del centro de La Via Lactea

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 9 octubre, 2014
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