La interacción de la materia oscura en el cúmulo galáctico Abell 3827

Por Francisco R. Villatoro, el 15 abril, 2015. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Física • Materia oscura • Noticias • Physics • Science ✎ 8

Dibujo20150415 hubble space telescope - galaxy cluster abell 3827 - HST NASA

La materia oscura fue descubierta gracias a su interacción gravitacional con la materia (ordinaria), pero también puede autointeraccionar. Un análisis del proceso de colisión entre cuatro galaxias elípticas en el centro del cúmulo Abell 3827 permite estimar la interacción entre sus halos de materia oscura. Los resultados parecen indicar que durante la colisión el movimiento de algunos halos de materia oscura se está frenando. La estimación de la sección transversal de autointeracción calculada es de σDM/m ~ (1,7 ± ​​0,7) × 10–4 cm²/g × (tinfall / 109 años)–2, donde tinfall es la duración de la colisión.

Un estudio previo de 72 colisiones entre cúmulos de galaxias no encontró ninguna interacción entre sus halos de materia oscura. Según el nuevo trabajo la interacción es tan débil que observarla requiere una colisión muy lenta para que los efectos de la fuerza de fricción entre las partículas de materia oscura se acumulen y se puedan observar. Las cuatro galaxias en el núcleo del cúmulo Abell 3827 parece que cumplen con dicha condición, según las imágenes del Telescopio Espacial Hubble de la NASA y del Telescopio Muy Grande (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO), en Chile. Para el análisis de la materia oscura se ha usado el efecto de lente gravitacional y simulaciones por ordenador mediante dos métodos diferentes, cuyas conclusiones coinciden.

El artículo es Richard Massey et al., “The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies in the 10kpc core of Abell 3827,” arXiv:1504.03388 [astro-ph.CO]. El trabajo previo citado es David Harvey et al., “The non-gravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters,” Science 347: 1462-1465, 2015, doi: 10.1126/science.1261381arXiv:1503.07675 [astro-ph.CO].

Más información en “Primeros signos de materia oscura en interacción mediante fuerzas desconocidas,” Agencia SINC, 15 Abr 2015; Lubos Motl, “Dark matter self-interaction detected?,” The Reference Frame, 15 Apr 2015; “Potential signs of ‘interacting’ dark matter suggest it is not completely dark after all,” Phys.Org, 15 Apr 2015.

Dibujo20150415 hubble space telescope - core abell 3827 - VLT - MUSE - HST NASA

Las medidas cosmológicas indican que el 85% de la materia del universo es oscura. Los modelos cosmológicos usados en simulaciones por ordenador usan sólo la interacción gravitacional de la materia oscura consigo misma y con la materia ordinaria. Cualquier otro tipo de interacción se considera despreciable en los modelos de formación, evolución y colisión galáctica. Sin embargo, las colisiones galácticas muy lentas han sido poco estudiadas mediante simulaciones por ordenador. Los resultados son compatibles con una sección transversal σDM/m > 4,5 × 10–6 cm²/g × (tinfall / 1010 años)–2, donde tinfall es la duración de la colisión. Una valor tan pequeño complica mucho su observación. De ahí la importancia del nuevo resultado en el cúmulo Abell 3827, que será el punto de partida de futuros estudios de este tipo. Sus conclusiones son provisionales, pero dilucidar los efectos a largo plazo en las colisiones galácticas lentas debidos a la autointeracción de la materia oscura es de gran importancia.

Dibujo20150415 Map of total mass in the cluster core - Grale - LensTool - ras mnras 2015

 

El núcleo de Abell 3827 tiene unos 10 kpc de radio y presenta cuatro galaxias elípticas llamadas N1, N2, N3 (puntos negros casi en línea recta) y N4 (punto negro más abajo), cada una con su halo de materia oscura. La masa de estos halos se ha estimado usando dos software diferentes para el análisis de lentes gravitacionales: Grale (2006) y Lenstool (2007). Los resultados de ambos software coinciden, por ello los autores del nuevo trabajo confían en que sus resultados son robustos.

Dibujo20150415 total integrated flux bright central galaxies - abell 3827 - ras mnras 2015

 

El halo de la galaxia N1 está desplazado del centro de masas de las estrellas visibles de dicha galaxia una distancia de (1,62 ± 0,48) kpc (68% CL). Según los autores, este desplazamiento estimado a 3,4 sigmas, resulta de la interacción de la materia oscura de dicho halo con la de los otros tres. Gracias a ello han podido estimar la sección transversal asociada a la autointeracción de la materia oscura.

Por supuesto, se trata de un resultado preliminar que, por un lado, tendrá que ser confirmado por estudios independientes de Abell 3827, en especial, simulaciones computacionales de la colisión de las cuatro galaxias. Y, por otro lado, tendrá que ser observado en otras colisiones de galaxias en otros cúmulos galácticos. Mientras tanto se limita a un resultado sugerente.

PS: La última transparencia de John Ellis, “Supersymmetric Dark Matter,” AMS Days CERN, 17 Apr 2015 [PPTX slides], merece ser reproducida aquí:

Dibujo20150420 john ellis - dark matter self-interaction - ams days cern

Ellis nos recuerda que el nuevo resultado apunta a una partícula de materia oscura de baja masa en la escala de los MeV.



8 Comentarios

  1. ¿Cual es la diferencia entre la materia oscura y la no oscura? si lo que se ve básicamente son las interacciones electromagnéticas en forma de fotones, que no es materia. La materia se puede asociar a curvatura del espacio-tiempo y en eso no hay visibilidad, solo se puede detectar a través de la interacción gravitatoria.

    1. Reneco, la materia oscura son partículas nuevas (que aún no hemos aislado). Nada más y nada menos. Conocemos muchas partículas y hace 50 años conocíamos muy poquitas. Creemos que hay más partículas que aún no hemos observado porque vemos sus efectos gracias a la gravedad: la materia oscura. Pero detectar nuevas partículas es muy difícil y requiere muchos años de búsqueda. Siempre ha sido así y siempre será así. Nada es gratis… en física.

      Saludos
      Francis

  2. Cual seria entonces la densidad de la materia oscura en al vació intergalactico? que en su mayoría son fotones microondas. A la baja velocidad que tuvieron que estar para ser detectadas, me sorprenda que su interacción gravitatoria sea apreciable.

    1. Alcalino, la materia oscura está distribuida de forma muy heterogénea en el universo. Hay grandes vacíos, rodeados de “burbujas” de materia oscura que forman la llamada web cósmica, siendo la densidad diferente a la escala de los supercúmulos galácticos, cúmulos galácticos, galaxias, o nuestro Sistema Solar. En cada escala la estimación de la densidad de la materia oscura es diferente.

      Si quieres el valor promedio, el dato cosmológico es 27/5 la densidad de la materia ordinaria, es decir, casi un tercio de la densidad crítica 3H^2/(8πG) ~ 2 x 10^-26 kg/m^3. Pero ya te digo, el valor depende mucho de la región del universo y de la escala considerada.

      Fotones (en el fondo cósmico de microondas) hay muchísimos (mil millones por cada barión), pero su densidad hoy en día es despreciable ( ~ 4,5 x 10^-31 kg/m^3 ) comparada con la densidad de la materia oscura.

      Saludos
      Francis

  3. Una duda quizás algo tonta.

    La materia oscura no siente las fuerzas “clásicas” electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil; sólo siente la gravitatoria.

    ¿Es posible considerar que existan otras fuerzas “oscuras” que sólo sientan la materia oscura y que no actúen sobre la materia ordinaria?

    Saludos
    Paul

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