Un equipo de investigación dirigido por físicos de la Universidad de California, Riverside, informa que se pueden usar pequeñas galaxias satélite de la Vía Láctea para probar las propiedades fundamentales de la "materia oscura": material no luminoso que se cree que constituye el 85% de la materia en el universo.
Usando simulaciones sofisticadas, los investigadores muestran que una teoría llamada materia oscura auto interactiva, o SIDM, puede explicar de manera convincente diversas distribuciones de materia oscura en Draco y Fornax, dos de las más de 50 galaxias satelitales descubiertas de la Vía Láctea.
La teoría predominante de la materia oscura, llamada Cold Dark Matter, o CDM, explica gran parte del universo, incluida la forma en que emergen las estructuras en él. Pero un desafío de larga data para el CDM ha sido explicar las diversas distribuciones de materia oscura en las galaxias.
Los investigadores, dirigidos por Hai-Bo Yu y Laura V. Sales de UC Riverside, estudiaron la evolución de los "subhalos" de SIDM en el "campo de mareas" de la Vía Láctea, el gradiente en el campo gravitacional de la Vía Láctea que un satéliteLa galaxia se siente en forma de una fuerza de marea. Los subhalos son grupos de materia oscura que albergan las galaxias satélite.
"Encontramos que SIDM puede producir diversas distribuciones de materia oscura en los halos de Draco y Fornax, de acuerdo con las observaciones", dijo Yu, profesor asociado de física y astronomía y físico teórico con experiencia en propiedades de partículas de materia oscura ".En SIDM, la interacción entre los subhalos y las mareas de la Vía Láctea conduce a distribuciones de materia oscura más diversas en las regiones internas de los subhalos, en comparación con sus contrapartes de MDL ".
Draco y Fornax tienen extremos opuestos en su contenido interno de materia oscura. Draco tiene la mayor densidad de materia oscura entre las nueve galaxias satélites brillantes de la Vía Láctea; Fornax tiene la más baja. Utilizando mediciones astronómicas avanzadas, los astrofísicos reconstruyeron recientemente sus trayectorias orbitales en la LechosaCamino del campo de mareas.
"Nuestro desafío era comprender el origen de las diversas distribuciones de materia oscura de Draco y Fornax a la luz de estas trayectorias orbitales recién medidas", dijo Yu. "Encontramos que SIDM puede proporcionar una explicación después de considerar los efectos de las mareas y la auto-materia de la materia oscurainteracciones "
Los resultados del estudio aparecen en Cartas de revisión física.
La naturaleza de la materia oscura sigue siendo en gran medida desconocida. A diferencia de la materia normal, no absorbe, refleja ni emite luz, lo que dificulta su detección. Identificar la naturaleza de la materia oscura es una tarea central en la física de partículas y la astrofísica.
En CDM, se supone que las partículas de materia oscura no tienen colisión, y cada galaxia se sienta dentro de un halo de materia oscura que forma el andamiaje gravitacional que la mantiene unida. En SIDM, se propone que la materia oscura interactúe por sí misma a través de una nueva fuerza oscura.Se supone que las partículas de materia chocan fuertemente entre sí en el halo interno, cerca del centro de la galaxia, un proceso llamado auto-interacción de la materia oscura.
"Nuestro trabajo muestra que las galaxias satelitales de la Vía Láctea pueden proporcionar pruebas importantes de diferentes teorías de la materia oscura", dijo Sales, profesor asistente de física y astronomía y astrofísico con experiencia en simulaciones numéricas de formación de galaxias ". Mostramos la interacciónentre las autointeracciones de la materia oscura y las interacciones de las mareas pueden producir nuevas firmas en SIDM que no se esperan en la teoría del MDL prevaleciente ".
En su trabajo, los investigadores utilizaron principalmente simulaciones numéricas, llamadas "simulaciones de N-cuerpos", y obtuvieron una intuición valiosa a través del modelado analítico antes de ejecutar sus simulaciones.
"Nuestras simulaciones revelan dinámicas novedosas cuando un subhalo SIDM evoluciona en el campo de las mareas", dijo Omid Sameie, un ex estudiante graduado de UCR que trabajó con Yu y Sales y ahora es un investigador postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin trabajando en numéricasimulaciones de formación de galaxias. "Se pensaba que las observaciones de Draco eran inconsistentes con las predicciones de SIDM. Pero encontramos que un subhalo en SIDM puede producir una alta densidad de materia oscura para explicar Draco".
Sales explicó que SIDM predice un fenómeno único llamado "colapso del núcleo". En ciertas circunstancias, la parte interna del halo se colapsa bajo la influencia de la gravedad y produce una alta densidad. Esto es contrario a la expectativa habitual de que la materia oscura interaccione a sí mismacondujo a un halo de baja densidad. Sales dijo que las simulaciones del equipo identifican las condiciones para que ocurra el colapso del núcleo en subhalos.
"Para explicar la alta densidad de materia oscura de Draco, su concentración inicial de halo debe ser alta", dijo. "Se necesita distribuir más masa de materia oscura en el halo interno. Si bien esto es cierto tanto para CDM como para SIDM, para SIDMel fenómeno del colapso del núcleo solo puede ocurrir si la concentración es alta, de modo que la escala de tiempo del colapso es menor que la edad del universo. Por otro lado, Fornax tiene un subhalo poco concentrado y, por lo tanto, su densidad sigue siendo baja ".
Los investigadores enfatizaron que su trabajo actual se centra principalmente en SIDM y no realiza una evaluación crítica sobre qué tan bien el MDL puede explicar tanto Draco como Fornax.
Después de que el equipo utilizó simulaciones numéricas para tener en cuenta adecuadamente la interacción dinámica entre las autointeracciones de la materia oscura y las interacciones de las mareas, los investigadores observaron un resultado sorprendente.
"La materia oscura central de un subhalo SIDM podría estar aumentando, contrariamente a las expectativas habituales", dijo Sameie. "Lo importante es que nuestras simulaciones identifican condiciones para que este fenómeno ocurra en SIDM, y mostramos que puede explicar las observaciones de Draco".
El equipo de investigación planea extender el estudio a otras galaxias satélite, incluidas las galaxias ultrafinas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Original escrito por Iqbal Pittalwala. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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