La rotación de las galaxias solo parece depender de su contenido de materia visible

La galaxia del Sombrero en luz infrarroja. Un nuevo estudio ha demostrado que, en todo tipo de galaxias de disco, la velocidad orbital de las estrellas puede predecirse con exactitud sin tener en cuenta la distribución de materia oscura. [R. Kennicutt et al./Observatorio Stewrad/SSC/JPL/Caltech/NASA].

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Universo oscuro
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Abr/Jun 2016 Nº 84

¿De qué está hecho el 95 por ciento del cosmos?Hace años que los físicos saben que todos los átomos y toda la luz que existen el universo apenas dan cuenta del 5 por ciento de su contenido total de materia y energía. El 95 por ciento restante se compone de dos misteriosos agentes que, a falta de un nombre mejor, han dado en llamarse «materia oscura» y «energía oscura». Dominan el cosmos, pero ¿cuál es su naturaleza? En este número podrás encontrar una panorámica clara y rigurosa del estado actual de dos líneas de investigación que, casi como ninguna otra, evidencian lo mucho que aún nos queda por aprender sobre el universo y las leyes fundamentales que lo rigen.


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Uno de los indicios históricos a favor de la existencia de la materia oscura es la velocidad a la que orbitan las estrellas de una galaxia: en general, estas giran en torno al centro galáctico con una velocidad mucho mayor de lo que cabría esperar a partir de la atracción gravitatoria generada por toda la materia visible de la galaxia. Eso lleva a pensar que las galaxias contienen grandes cantidades de algún tipo de materia indetectable, la cual daría cuenta de la aceleración centrípeta «que falta» para explicar el movimiento de sus astros. En la actualidad, numerosas observaciones astrofísicas y cosmológicas de todo tipo (no solo las curvas de rotación galácticas) apuntan a que el 85 por ciento de la masa existente en el cosmos es materia oscura.

Ahora, en un artículo publicado en Physical Review Letters, Stacy McGaugh, de la Universidad Case Western Reserve, y otros investigadores han descrito una curiosa propiedad sobre la dinámica de las galaxias de disco. A pesar de que la aceleración de las estrellas no se corresponde con la que resultaría de aplicar las leyes usuales de la gravedad a la materia visible, una y otra estarían fuertemente correlacionadas. En otras palabras: una vez conocida la distribución de materia visible de una galaxia, la velocidad de sus estrellas parece quedar unívocamente determinada a partir de ella por una sencilla fórmula, sin que sea necesario hacer ninguna suposición adicional sobre la distribución de materia oscura.

El resultado de McGaugh y sus colaboradores llama la atención por lo fuerte que resulta la correlación observada (la fórmula es simple y funciona casi a la perfección en todos los casos) y porque dicha ley se cumple en galaxias en rotación con todo tipo de formas, masas y tamaños, incluidas aquellas cuya dinámica debería estar dominada casi por completo por la materia oscura. Su estudio incluye más de 2500 datos de velocidades orbitales correspondientes a distintos radios en más de 150 galaxias, todos los cuales quedan sorprendentemente bien ajustados por la fórmula mencionada. Los autores señalan en su artículo que la correlación observada entre la aceleración de las estrellas y la distribución de materia visible puede considerarse equivalente a «una ley de la naturaleza, una especie de ley de Kepler para las galaxias en rotación».

¿Cabe esperar una correlación tan estrecha entre a dinámica de una galaxia y su contenido de materia visible? Si, como propone el paradigma dominante, la materia oscura existe y se compone de algún tipo de partícula en un estado similar al de un «gas frío», el nuevo resultado implica que la distribución de materia oscura estaría completamente determinada por la de materia ordinaria. Sin embargo, ello no deja de resultar extraño, ya que, prácticamente por definición, se supone que la materia oscura y la visible apenas interaccionan más allá de la fuerza de la gravedad.

En su artículo, los autores avanzan tres posibles explicaciones del fenómeno: que la nueva relación sea el producto natural del proceso cosmológico de formación de galaxias en un escenario canónico con materia oscura fría; que exista un nuevo sector hasta ahora insospechado de materia oscura, el cual sería responsable del supuesto acoplamiento entre la materia oscura y la visible; o que la velocidad orbital de las estrellas en una galaxia no se deba a la materia oscura, sino a alguna modificación de las leyes conocidas de la gravedad.

Esta última posibilidad no es nueva. Hace más de treinta años, Mordhai Milgrom, del Instituto Científico Weizmann de Rejóvot, en Israel, postuló una modificación de las leyes de Newton que, al igual que la fórmula de McGaugh y colaboradores, reproducía las curvas de rotación galácticas sin necesidad de recurrir a la materia oscura. Dicha teoría, conocida como MOND por sus siglas en inglés, presenta sin embargo sus propios problemas, ya que no resulta compatible con la teoría de la relatividad general de Einstein y tampoco consigue reproducir otros resultados cosmológicos, como la dinámica de las galaxias en los cúmulos, los cuales sí se pueden explicar bien con los modelos basados en materia oscura fría.

Más información en Physical Review Letters y Physics. Una versión gratuita del artículo técnico se encuentra disponible en el repositorio arXiv.

—IyC

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