💫 Teorías de gravedad modificada: las galaxias enanas hablan
Un equipo internacional dirigido por el Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam ha realizado un estudio exhaustivo sobre doce de las galaxias más pequeñas y débiles jamás observadas. Al analizar la velocidad de las estrellas a diferentes distancias del centro galáctico, los investigadores pudieron cartografiar con una precisión sin precedentes el campo gravitacional interno de estos sistemas. Los datos recogidos muestran claramente que la materia visible no basta para explicar la intensidad de las fuerzas en juego, poniendo en duda algunas teorías alternativas.
Comparación entre la galaxia espiral M33 (izquierda) y la galaxia enana Eridanus II (derecha) mostrando las diferencias de aceleración gravitacional.
Crédito: ESO/DSS2 (D. De Martin); DES (S.E. Koposov), composición: AIP (M. P. Júlio)
La teoría MOND (Modified Newtonian Dynamics), propuesta en los años 1980 como alternativa a la materia oscura, predice que las leyes de la gravedad cambian a aceleraciones muy débiles. Sin embargo, las simulaciones realizadas en el supercomputador nacional británico DiRAC demuestran que este enfoque no logra reproducir el comportamiento observado en las galaxias enanas. En cambio, los modelos que incorporan un halo masivo de materia oscura alrededor de estas galaxias se ajustan mucho mejor a los datos experimentales.
Mariana Júlio, estudiante de doctorado en el Instituto Leibniz y autora principal del estudio, destaca que por primera vez, los científicos han podido resolver la aceleración gravitacional de las estrellas en las galaxias más débiles a diferentes radios. Este análisis detallado de las dinámicas internas confirma que el campo gravitacional no puede determinarse únicamente por la materia visible, contradiciendo así las predicciones de las teorías de gravedad modificada. Estos resultados refuerzan considerablemente la necesidad de invocar la materia oscura.
La investigación, aceptada para publicación en Astronomy & Astrophysics y disponible en el servidor de prepublicación arXiv, también cuestiona la relación de aceleración radial, una hipótesis de larga data según la cual existiría un vínculo simple entre la cantidad de materia visible y la fuerza gravitacional producida. Mientras que esta relación sigue siendo válida para los sistemas más grandes, comienza a invalidarse en las galaxias más pequeñas, donde la misma cantidad de materia visible puede producir aceleraciones gravitacionales diferentes.
El profesor Justin Read de la Universidad de Surrey explica que las nuevas técnicas de modelización permiten ahora cartografiar el campo gravitacional a escalas más pequeñas que nunca. Estos avances ofrecen perspectivas nuevas sobre esta sustancia extraña e invisible que constituye la mayor parte de la masa del Universo. Aunque estos descubrimientos no revelan la naturaleza fundamental de la materia oscura, reducen considerablemente el espacio disponible para las explicaciones alternativas.
La materia oscura: el enigma cósmico invisible
La materia oscura representa uno de los mayores enigmas de la cosmología moderna. Los científicos estiman que constituye aproximadamente el 85% de la materia total del Universo, pero no interactúa con la luz, lo que la hace imposible de observar directamente con los telescopios tradicionales.
Su presencia se deduce indirectamente por sus efectos gravitacionales sobre la materia visible. Las galaxias giran tan rápidamente que sin esta masa adicional invisible, se dislocarían por efecto de la fuerza centrífuga. Igualmente, la curvatura de la luz por los cúmulos galácticos, fenómeno llamado lente gravitacional, revela la presencia de masas muy superiores a las que se pueden detectar.
Las investigaciones actuales se concentran en varios candidatos potenciales, entre ellos los WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), partículas hipotéticas que solo interactuarían muy débilmente con la materia ordinaria. Otras teorías exploran la posibilidad de axiones, partículas ultraligeras, o incluso de agujeros negros primordiales formados poco después del Big Bang.
La detección directa de la materia oscura sigue siendo un objetivo mayor de la física de partículas, con experimentos subterráneos como XENONnT en Italia o LZ en Estados Unidos que buscan captar las raras interacciones entre estas partículas misteriosas y la materia ordinaria.
La dinámica galáctica y sus misterios
La dinámica galáctica estudia el movimiento de las estrellas y del gas dentro de las galaxias, revelando información crucial sobre su estructura y su evolución. Las velocidades orbitales de las estrellas alrededor del centro galáctico siguen leyes específicas que dependen de la distribución de masa total, incluyendo tanto la materia visible como la invisible.
En los años 1970, la astrónoma Vera Rubin observó que las estrellas en las regiones externas de las galaxias espirales se desplazaban a velocidades constantes, independientemente de su distancia al centro. Este descubrimiento sorprendente contradecía las predicciones de la mecánica newtoniana basada únicamente en la materia visible, proporcionando la primera prueba sólida de la existencia de materia oscura.
Las galaxias enanas, como las estudiadas en esta investigación, presentan características dinámicas particulares. Su baja luminosidad y pequeño tamaño las convierten en laboratorios ideales para probar las teorías gravitacionales en los límites extremos, donde los efectos de la materia oscura deberían ser más pronunciados.
Las simulaciones numéricas modernas permiten modelizar la evolución de las galaxias a lo largo de miles de millones de años, incorporando tanto la materia bariónica (ordinaria) como la materia oscura. Estos modelos ayudan a comprender cómo los halos de materia oscura influyen en la formación y evolución de las estructuras cósmicas, desde las primeras galaxias hasta los cúmulos galácticos observables hoy en día.