El estudio del grupo de investigación, del que también forma parte el Instituto Nacional de Astrofísica, cuestiona los modelos cosmológicos generalmente compartidos sobre el misterio de la materia oscura. Publicado hoy en arXiv y en impresión en Las cartas del diario astrofísico, el resultado añade una pieza importante a la resolución del enigma de la materia oscura, cuya naturaleza es una de las grandes cuestiones de la astrofísica moderna, aún sin respuesta, poniendo potencialmente en duda modelos cosmológicos generalmente compartidos. El equipo de investigación detrás del estudio demostró que Las velocidades de rotación de las galaxias permanecen inesperadamente constantes incluso a distancias muy grandes de su centro.confirmando las predicciones de la teoría de la gravedad modificada de la Dinámica Newtoniana Modificada (Mond), que no contempla la presencia de materia oscura en el universo.
Gráfico que ilustra las observaciones recogidas en el artículo: los puntos rojos muestran la curva de rotación de la galaxia UGC 6614 utilizando observaciones “clásicas” de la cinemática del gas, mientras que los puntos celestes muestran el nuevo resultado estadístico utilizando la técnica de lente débil. Crédito: T. Mistele et al. (2024)
En este trabajo se desarrolló una nueva técnica que permite medir las llamadas curvas de rotación de las galaxias -es decir, las velocidades de rotación de las galaxias desde su centro- hasta distancias muy grandes, equivalentes aproximadamente a dos millones 500 mil luz. años. La técnica utilizada aprovecha el fenómeno de las lentes gravitacionales débiles (lentes gravitacionales débiles). Las implicaciones de este descubrimiento podrían ser muy amplias y llevar a redefinir nuestra comprensión de la materia oscura también a través de teorías cosmológicas alternativas.
El fenómeno de las lentes gravitacionales fue predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein y ocurre cuando un objeto masivo, como un cúmulo de galaxias o incluso una sola estrella masiva, desvía el camino de la luz proveniente de una fuente distante con su campo gravitacional. Esta curvatura de la luz se produce porque la masa del objeto deforma el tejido del espacio-tiempo que lo rodea.
Federico Lelli (Inaf), experto en la dinámica de galaxias y sistemas de galaxias (grupos y cúmulos) como bancos de pruebas tanto para teorías de la materia oscura como para teorías gravitacionales alternativas. Créditos: Inaf
«Utilizamos la técnica de lentes gravitacionales débiles medir estadísticamente la “curva de rotación” media de galaxias de diferentes masas, que alcanzan distancias muy grandes del centro”, explica Federico Lelli, primer investigador del INAF de Arcetri y coautor del estudio. «Descubrimos que las curvas de rotación siguen siendo planas durante cientos de miles de años luz, posiblemente hasta algunos millones de años luz: esto es sorprendente, porque a tales distancias uno esperaría haber alcanzado el “borde” del halo. materia oscura, por lo que las curvas de rotación deberían comenzar a mostrar una disminución kepleriana, pero en cambio permanecen planas”.
Las curvas de rotación miden la velocidad que debe tener un cuerpo celeste (como una estrella o una nube de gas) a cierta distancia del centro galáctico para permanecer en una órbita circular alrededor de la galaxia. La presencia de materia oscura en las galaxias se dedujo estudiando las curvas de rotación en los años comprendidos entre 1970 y 1980. Se cree que las curvas de rotación de las galaxias deberían disminuir a medida que aumenta la distancia al centro de la galaxia. Según la gravedad newtoniana, las estrellas en los bordes exteriores de la galaxia deberían ser más lentas debido a una menor atracción gravitacional. Como esta hipótesis no se corresponde con las observaciones, los científicos han planteado la hipótesis de la presencia de la llamada materia oscura, que no emitiría radiación electromagnética sino que sólo sería detectable mediante los efectos de su campo gravitacional. Sin embargo, incluso suponiendo la existencia de materia oscura, en cierto punto su efecto debería debilitarse con la distancia y, por lo tanto, las curvas de rotación de las galaxias no deberían permanecer constantes indefinidamente.
El estudio pone en duda esta hipótesis y aporta una revelación sorprendente: la influencia de lo que llamamos materia oscura se extiende mucho más allá de las estimaciones anteriores, es decir, al menos a un millón de años luz del centro galáctico. Paradójicamente, una fuerza tan grande podría indicar que la materia oscura, tal como se entiende hasta ahora, puede no existir en absoluto.
“Este descubrimiento pone en duda los modelos existentes”, afirma. Tobias Mistele de la Universidad Case Western Reserve y primer autor del estudio, «lo que sugiere que existen halos de materia oscura muy grandes o que necesitamos revisar radicalmente nuestra comprensión de la teoría gravitacional».
«Usamos estos datos», añade Lelli, «para estudiar la relación Tully-Fisher -una ley de escala entre la masa bariónica (la que constituye las estrellas y el gas) y la velocidad de rotación de las galaxias- y descubrimos que la misma ley persiste cuando utilizamos velocidades medidas a distancias muy grandes. Este resultado no es nada obvio, ya que a tales distancias la velocidad de rotación está determinada enteramente por la materia oscura, no por la materia bariónica. Las observaciones nos permiten alcanzar distancias enormemente grandes desde el centro galáctico, unas veinte veces mayores que las alcanzadas con técnicas clásicas. Para nuestra sorpresa, descubrimos que las curvas de rotación permanecen casi perfectamente planas (en otras palabras, la velocidad permanece constante) hasta las mayores distancias que somos capaces de alcanzar”.
Este tipo de estudios pretende aclarar la naturaleza de la materia oscura, o si estos fenómenos gravitacionales se deben a un nuevo tipo de partícula elemental “invisible” aún por descubrir, o si es necesario revisar las leyes gravitacionales de Newton y Einstein. .
«Este resultado no tiene una explicación obvia en el contexto cosmológico estándar de Lambda Cold Dark Matter (Lambda-Cdm) y podría tener que ver con el entorno de la galaxia», especifica Lelli, «es decir, con la distribución de los halos de materia oscura más pequeños. que se cree que orbita el halo principal. Para limitar este efecto, de hecho, hemos seleccionado nuestras galaxias para que estén lo más aisladas posible”.
Las curvas de rotación planas de hasta radios grandes ya habían sido predichas por la teoría de la gravedad de Mond modificada, propuesta por el físico Mordehai Milgrom en 1983 como alternativa a la materia oscura. «Nuestras observaciones concuerdan con lo que Mond predijo hace más de 40 años», concluye Lelli.
Ahora son necesarios más estudios para aclarar el convincente enigma cosmológico y escribir una nueva página en la historia de la astrofísica moderna.
Para saber mas:
Vea el servicio de vídeo en MediosInaf TV:
