Cuando una pequeña galaxia se desvía demasiado cerca de la Vía Láctea, la gravedad de nuestra galaxia más grande la enrolla. El gas y las estrellas son arrancados de la galaxia que pasa a medida que cae hacia su destino, creando corrientes de material que se extienden entre el par galáctico. Estas corrientes continúan arrancando estrellas hasta que el objeto que cae se ha consumido por completo. Una vez finalizada la fusión, algunos de los únicos signos restantes del objeto devorado son las corrientes estelares que serpentean a través de la Vía Láctea, una pequeña muestra de estrellas de una galaxia desaparecida hace mucho tiempo.
Además de ser un registro del pasado, una de estas corrientes puede proporcionar la primera evidencia directa de grupos pequeños de materia oscura: el material esquivo que se cree que representa el 85 por ciento de toda la materia en el universo. Un análisis reciente de un rastro de estrellas revela que interactuó con un objeto denso en los últimos cientos de millones de años. Después de descartar a los sospechosos más probables, los investigadores determinaron que la brecha relativamente reciente en la corriente puede haber sido causada por un pequeño grupo de materia oscura. Si se confirma, los remolinos de esta corriente estelar podrían ayudar a los científicos a analizar las teorías en competencia sobre la materia oscura y tal vez incluso acercarse a las características del material misterioso.
La corriente estelar conocida como GD-1 es un flujo delgado de material escondido dentro del halo galáctico, la colección suelta de estrellas y gases que rodean el disco de la Vía Láctea. Utilizando datos publicados en abril pasado por el telescopio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea, que está en proceso de ensamblar el mapa más detallado de las estrellas de la Vía Láctea, los astrónomos pudieron usar datos posicionales precisos para reconstruir el movimiento de las estrellas en GD -1. Rasgado de una nube de material, la corriente es el último remanente de un objeto que probablemente fue consumido por nuestra galaxia en los últimos 300 millones de años, un parpadeo en escalas de tiempo astronómicas.
Representación artística del observatorio espacial Gaia de la ESA, un telescopio de astrometría diseñado para medir las posiciones y movimientos de las estrellas. (ESA / NASA) Gaia encontró dos pequeños descansos en la corriente, la primera observación inequívoca de lagunas en una corriente estelar, así como una densa colección de estrellas llamada espuela. Juntas, estas características sugieren que un objeto pequeño pero masivo sacudió el material de la corriente.
"Creo que esta es la primera evidencia dinámica directa de la [estructura] a pequeña escala de la materia oscura", dice Adrian Price-Whelan, astrónomo del Instituto Flatiron en Nueva York. Trabajando con Ana Bonaca del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica, Price-Whelan investigó las estructuras recién descubiertas en GD-1 para determinar su fuente y presentó los resultados a principios de este año en la reunión de invierno de la Sociedad Astronómica Americana.
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Aproximadamente a 33, 000 años luz (10 kiloparsecs), GD-1 es la corriente estelar más larga en el halo galáctico. Si bien Price-Whelan y sus colegas pudieron usar modelos para mostrar que una de las brechas se formó durante la generación de la transmisión, la otra brecha siguió siendo un misterio. Sin embargo, junto con el rompecabezas, Gaia también reveló una solución: el estímulo.
Cuando un objeto viaja más allá oa través de una corriente estelar, interrumpe las estrellas. Price-Whelan compara la interrupción con un fuerte chorro de aire que sopla a través de una corriente de agua. El agua, o las estrellas, se extienden hacia afuera a lo largo del camino del disruptor, creando una brecha. Algunos se mueven tan rápido que escapan de la corriente y salen volando hacia el espacio, perdidos para siempre. Otros son arrastrados hacia la corriente para formar características similares a los remolinos que los astrónomos llaman espuelas. Después de unos cientos de millones de años, la mayoría de las espuelas se fusionan nuevamente en la corriente, y solo queda la brecha, aunque algunas pueden durar más.
Cuando se trata de detectar estructuras en corrientes estelares, Price-Whelan llama a GD-1 "la secuencia de Ricitos de Oro" porque está en el lugar correcto. GD-1 está dentro de las estrellas de la Vía Láctea, pero se mueve en la dirección opuesta, lo que facilita a los astrónomos seleccionar las estrellas en la corriente de los objetos circundantes. "En cualquier lugar dado, se mueve de manera diferente a la forma en que se mueven la mayoría de las otras estrellas en esa parte del cielo", dice Price-Whelan.
Los investigadores modelaron qué tipo de objetos podrían ser responsables del espolón relativamente recién nacido detectado en GD-1. Determinaron que el objeto responsable tenía que pesar con una masa en algún lugar entre 1 millón y 100 millones de veces la masa del sol. Con solo unos 65 años luz (20 pc) de longitud, el objeto habría sido increíblemente denso. La interacción entre la corriente y el objeto denso probablemente habría ocurrido en los últimos cientos de millones de años de los 13.800 millones de años de vida del universo.
Un diagrama de nuestra galaxia, la Vía Láctea. (NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC / Caltech)) La materia oscura no es el único objeto que podría haber interrumpido la corriente estelar. Un cúmulo globular o una galaxia enana que se precipita cerca también podría haber creado la brecha y el estímulo. Price-Whelan y sus colegas volvieron sus ojos hacia todos los objetos conocidos y calcularon sus órbitas, descubriendo que ninguno se acercó lo suficiente a GD-1 en los últimos mil millones de años para sacudir las cosas. Un encuentro casual con un agujero negro primordial podría haber hecho volar a las estrellas de la corriente, pero habría sido un evento extremadamente raro.
Según las simulaciones de materia oscura que permiten estructuras pequeñas, decenas de semillas de materia oscura se encuentran dispersas a través de galaxias como la Vía Láctea. Se espera que una corriente como GD-1 encuentre al menos una de esas semillas en los últimos 8 mil millones de años, lo que hace que la materia oscura sea mucho más perturbadora en función de las tasas de encuentro que cualquier otro objeto.
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La materia oscura constituye la mayor parte de la masa en el universo, pero nunca se ha observado directamente. Las dos teorías principales para su existencia son el modelo de materia oscura cálida y el modelo de materia oscura fría Lambda (ΛCDM), que es el modelo preferido por la mayoría de los científicos. Bajo ΛCDM, la materia oscura forma grupos que pueden ser tan grandes como una galaxia o tan pequeños como una lata de refresco. Los modelos de materia oscura cálida sugieren que el material tiene partículas menos masivas y carece de las estructuras del tamaño de una lata que sugiere el modelo ΛCDM. Encontrar evidencia de estructuras de materia oscura a pequeña escala podría ayudar a eliminar ciertos modelos y comenzar a reducir algunas de las características de las cosas tentadoras.
"Las corrientes podrían ser la única vía que podríamos utilizar [para] estudiar el extremo de masa más baja de lo que está haciendo la materia oscura", dice Price-Whelan. "Si queremos poder confirmar o rechazar o descartar diferentes teorías de la materia oscura, realmente necesitamos saber qué está pasando en el extremo [bajo]".
Los datos de Gaia ayudaron a identificar las estrellas del espolón, pero no son lo suficientemente detalladas como para comparar las diferencias de velocidad entre ellas y las estrellas en la corriente, lo que podría ayudar a confirmar que la materia oscura perturba la estructura. Price-Whelan y sus colegas quieren usar el telescopio espacial Hubble de la NASA para estudiar más a fondo el movimiento de las débiles estrellas en GD-1. Aunque Gaia ha abierto la puerta al examen a gran escala del movimiento de las estrellas en la Vía Láctea, Price-Whelan dice que no puede competir con el HST cuando se trata de estrellas muy débiles. "Puede perforar mucho más profundo cuando tiene un telescopio dedicado como Hubble", dice.
Las diferencias en cómo se mueven las estrellas de la corriente y el espolón podrían ayudar a los astrónomos a determinar cuánta energía transportaba el objeto perturbador, así como permitir a los investigadores calcular su órbita. Estos datos podrían usarse para rastrear el grupo disruptivo de materia oscura y estudiar su entorno inmediato.
Además de hacer un estudio más profundo de GD-1, los astrónomos planean aplicar las mismas técnicas habilitadas por los datos de Gaia a algunas de las más de 40 corrientes que rodean la Vía Láctea. Detectar espuelas y lagunas en otras corrientes y vincularlas a la materia oscura podría mejorar aún más nuestra comprensión de cómo la sustancia misteriosa interactúa con la galaxia visible.
Después de décadas de desconcierto sobre el misterio de la materia oscura, los huecos y espuelas en corrientes estelares como GD-1 finalmente pueden ayudar a revelar los secretos de la sustancia que constituye la mayor parte del universo. "Esta es una de las cosas más emocionantes que ha salido de Gaia", dice Price-Whelan.
