MITEl estudio del espectáculo exterior. Vía Láctea las estrellas giran más lentamente, lo que indica un núcleo más claro con menos materia oscura, lo que contradice las suposiciones anteriores.

Al medir la velocidad de las estrellas a lo largo de la Vía Láctea, los físicos del MIT descubrieron que las estrellas más alejadas en el disco galáctico viajan más lentamente de lo esperado en comparación con las estrellas que están más cerca del centro de la galaxia. Los hallazgos plantean una posibilidad sorprendente: el núcleo gravitacional de la Vía Láctea puede tener una masa más ligera y contener menos materia oscura de lo que se pensaba anteriormente.

Los nuevos resultados se basan en el análisis del equipo de los datos obtenidos por los instrumentos Gaia y APOGEE. Gaia es un telescopio espacial en órbita que rastrea la ubicación, la distancia y el movimiento precisos de más de mil millones de estrellas a través de la Vía Láctea, mientras que APOGEE es un estudio terrestre. Los físicos analizaron las mediciones de Gaia de más de 33.000 estrellas, incluidas algunas de las estrellas más distantes de la galaxia, y determinaron la «velocidad circular» de cada estrella, o la rapidez con la que una estrella gira alrededor del disco galáctico, dada la distancia de la estrella al centro de la galaxia. .

Comprender la rotación galáctica

Los científicos trazaron la velocidad de cada estrella en función de su distancia para generar una curva de rotación, un gráfico estándar en astronomía que representa la rapidez con la que gira la materia a una distancia determinada del centro de una galaxia. La forma de esta curva puede dar a los científicos una idea de cuánta materia visible y oscura se distribuye por una galaxia.

«Lo que realmente nos sorprendió ver fue que esta curva permaneció plana, plana, plana durante una cierta distancia, y luego comenzó a hundirse», dice Lina Necib, profesora asistente de física en el MIT. «Esto significa que las estrellas exteriores están girando un poco más lento de lo esperado, lo cual es un resultado muy sorprendente».

Un estudio realizado por físicos del MIT sugiere que el núcleo gravitacional de la Vía Láctea puede tener una masa más ligera y contener menos materia oscura de lo que se pensaba anteriormente. Crédito: ESA/Gaia/DPAC, Editado por MIT News

Desafiando las teorías de la materia oscura

El equipo tradujo la nueva curva de rotación en una distribución de materia oscura que podría explicar la desaceleración de las estrellas exteriores, y descubrió que el mapa resultante producía un núcleo galáctico más ligero de lo esperado. En otras palabras, el centro de la Vía Láctea puede ser menos denso y con menos materia oscura de lo que pensaban los científicos.

«Esto pone este resultado en tensión con otras mediciones», dice Necib. «Está sucediendo algo sospechoso en alguna parte, y es realmente emocionante descubrir dónde está, para obtener una imagen coherente de la Vía Láctea».

El equipo informa sus resultados este mes en Avisos mensuales del Royal Society Journal. Los coautores del estudio en el MIT, incluido Necib, son la primera autora Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers y Anna Frebel.

«En nada»

Como la mayoría de las galaxias del Universo, la Vía Láctea gira como agua en un remolino, y su rotación es impulsada, en parte, por toda la materia que gira dentro de su disco. En la década de 1970, la astrónoma Vera Rubin fue la primera en observar que las galaxias giran de maneras que no pueden ser impulsadas únicamente por la materia visible. Ella y sus colegas midieron la velocidad circular de las estrellas y descubrieron que las curvas de rotación resultantes eran sorprendentemente planas. Es decir, la velocidad de las estrellas se mantuvo igual en toda la galaxia, en lugar de disminuir con la distancia. Llegaron a la conclusión de que algún otro tipo de materia invisible debe estar actuando sobre estrellas distantes para darles un impulso adicional.

El trabajo de Rubin sobre las curvas de rotación fue una de las primeras pruebas sólidas de la existencia de materia oscura, una entidad invisible y desconocida que se estima pesa más que todas las estrellas y otra materia visible del Universo.

Desde entonces, los astrónomos han observado curvas planas similares en galaxias distantes, lo que respalda aún más la presencia de materia oscura. Sólo recientemente los astrónomos han intentado trazar la curva de rotación de nuestra propia galaxia llena de estrellas.

«Resulta que es más difícil medir una curva de rotación cuando estás dentro de una galaxia», señala Ou.

Nuevos conocimientos a partir de los datos de Gaia

En 2019, Anna-Christina Eilers, profesora asistente de física en el MIT, trabajó para trazar la curva de rotación de la Vía Láctea, utilizando un lote anterior de datos publicados por el satélite Gaia. Esta publicación de datos incluyó estrellas a hasta 25 kiloparsecs, o unos 81.000 años luz, del centro de la galaxia.

Basándose en estos datos, Eilers observó que la curva de rotación de la Vía Láctea parecía ser plana, aunque con un ligero descenso, similar a la de otras galaxias distantes, y por inferencia, la galaxia probablemente contenía una alta densidad de materia oscura en su núcleo. Pero esta visión ahora ha cambiado, ya que el telescopio ha publicado un nuevo lote de datos, esta vez incluyendo estrellas de hasta 30 kiloparsecs (casi 100.000 años luz del núcleo de la galaxia).

“A estas distancias nos encontramos justo en el borde de la galaxia, donde las estrellas empiezan a desaparecer”, afirma Frebel. «Nadie había explorado cómo se mueve la materia en esta galaxia exterior, donde realmente estamos en la nada».

Tensión extraña

Frebel, Necib, Ou y Eilers aprovecharon los nuevos datos de Gaia, buscando expandir la curva de rotación inicial de Eilers. Para refinar su análisis, el equipo complementó los datos de Gaia con mediciones de APOGEE, el Experimento de Evolución Galáctica del Observatorio Apache Point, que mide propiedades extremadamente detalladas de más de 700.000 estrellas en la Vía Láctea, como su brillo, temperatura y composición elemental.

«Introducimos toda esta información en un algoritmo para intentar aprender conexiones que puedan darnos mejores estimaciones de la distancia a una estrella», explica Ou. «Así es como podemos avanzar a mayores distancias».

El equipo estableció las distancias precisas a más de 33.000 estrellas y utilizó estas mediciones para generar un mapa tridimensional de las estrellas repartidas por la Vía Láctea a unos 30 kiloparsecs. Luego incorporaron este mapa en un modelo de velocidad circular, para simular qué tan rápido debería viajar una estrella determinada, dada la distribución de todas las demás estrellas de la galaxia. Luego trazaron la velocidad y distancia de cada estrella en un gráfico para producir una curva de rotación actualizada de la Vía Láctea.

«Ahí es donde entró la rareza», dice Necib.

En lugar de ver una caída suave como las curvas de rotación anteriores, el equipo observó que la nueva curva caía más de lo esperado en el extremo exterior. Esta desaceleración inesperada sugiere que, aunque las estrellas pueden viajar igual de rápido hasta una cierta distancia, se desaceleran repentinamente a distancias mayores. Las estrellas en las afueras parecen viajar más lentamente de lo esperado.

Explorando misterios galácticos

Cuando el equipo tradujo esta curva de rotación a la cantidad de materia oscura que debería existir en toda la galaxia, descubrieron que el núcleo de la Vía Láctea puede contener menos materia oscura de lo estimado anteriormente.

«Este resultado entra en conflicto con otras mediciones», dice Necib. “Comprender realmente este resultado tendrá profundas repercusiones. Esto podría conducir a más masas ocultas justo más allá del borde del disco galáctico, o a una reconsideración del estado de equilibrio de nuestra galaxia. Intentaremos encontrar estas respuestas en trabajos futuros, utilizando simulaciones de alta resolución de galaxias similares a la Vía Láctea”.

Referencia: “El perfil de materia oscura de la Vía Láctea inferido de su curva de velocidad circular” por Xiaowei Ou, Anna-Christina Eilers, Lina Necib y Anna Frebel, 8 de enero de 2024, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stae034

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias.