La forma del halo galáctico de materia oscura

Por Francisco R. Villatoro, el 25 diciembre, 2014. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Materia oscura • Physics • Science

Dibujo20140822 particle density milky way halo - sdss - arxiv

No sabemos la forma que tiene el halo de materia oscura que rodea nuestra galaxia, la Vía Láctea. Por ello se suele suponer que es esférico. Sin embargo, un nuevo estudio basado en los datos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) propone que la densidad del halo de materia oscura presenta una relación de aspecto (cociente de sus semiejes mayores) de ~0,4±0,1.

El SDSS ha observado las estrellas del halo galáctico de la Vía Láctea a distancias entre 3 y 20 kpc del centro galáctico (el halo se cree que tiene un radio de unos cien kilopársecs). El análisis del movimiento de estas estrellas indica que el potencial gravitacional observado es tres veces mayor que el producido por la materia visible. Además, su relación de aspecto  de 0,7±0,1. La materia bariónica no puede explicar este resultado. Además, las teorías MOND convencionales tampoco lo pueden explicar (salvo que se apliquen ajustes finos).

El nuevo artículo es Sarah R. Loebman et al., “The Milky Way Tomography with SDSS. V. Mapping the Dark Matter Halo,” arXiv:1408.5388 [astro-ph.GA], 22 Aug 2014 (el artículo, en segunda revisión, 24 Nov, aparecerá publicado en The Astrophysical Journal).

Dibujo20140825 Comparisons of the data and the models - arxiv

Las observaciones del halo galáctico de la Vía Láctea son muy difíciles de realizar más allá de los 20 kpc con los instrumentos actuales. Las observaciones del movimiento de las estrellas entre 3 y 20 kpc permite estimar la aceleración a la que están sometidas. Corresponden a un campo gravitatorio que requiere hasta tres veces más masa que la de la materia visible. O bien existe materia oscura, o bien hay que modificar la teoría de la gravedad de Newton, como proponen los modelos tipo MOND (MOdified Newtonian Dynamics); recuerda que los efectos introducidos por la gravedad de Einstein son despreciables a esta escala.

Una predicción genérica de los modelos tipo MOND es que la distribución del potencial gravitatorio tenga la misma forma que la materia visible que lo produce. Las observaciones del SDSS indican que la forma del potencial gravitatorio en la Vía Láctea hasta los 20 kpc difiere de la forma de la distribución de la materia visible. Por tanto, una teoría MOND que modifique la teoría de Newton no puede explicar dicho potencial, salvo que se diseñe de forma expresa para reproducir esta diferencia. Como aún no hay medidas similares en otras galaxias, dicho diseño ad hoc pervivirá durante varios años. Por ello, el nuevo trabajo afirma descartar las teorías MOND más sencillas y más populares, pero no todas las variantes propuestas. Modificar cualquier teoría para reproducir unas observaciones concretas siempre es fácil. Lo difícil es que dicha modificación también explique futuras observaciones.

Dibujo20140825 ratio of the SDSS-based acceleration maps - top - best-fit dark matter potential - bottom - predictions based on baryon potential - arxiv

Los datos del SDSS tienen esta forma de triángulo en el plano RZ (radio R y eje vertical Z) porque cerca del centro galáctico (por debajo de 3 kpc) y en el plano galáctico los datos de SDSS no son fiables). De hecho, los resultados del nuevo trabajo no deben extrapolarse fuera de dichos límites (en especial más allá de los 20 kpc). Al ajustar el mapa de aceleraciones con una ley de potencias para describir la densidad del halo galáctico se ha obtenido un exponente de  n=2,77 y un factor de aspecto de q=0,64; estos valores no son independientes entre sí. Según los autores las conclusiones de su estudio no varían cuando se consideran valores extremos entre n=2,57 y q=0,54, y hasta n=2,97 y q=0,74.

Más allá de los 20 kpc hay bastante incertidumbre sobre la forma del halo galáctico. Hay estudios que apuntan a una transición (o cambio) en el perfil de densidad alrededor de los 30 kpc, sugiriendo un valor entre n=3,8 y q=0,70, y hasta n=4,6 y q=0,6. Sin embargo, sus conclusiones aún poco firmes.



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Por Francisco R. Villatoro, publicado el 25 diciembre, 2014
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