Nuevas observaciones indican que, durante la época de mayor formación de galaxias, hace unos 10.000 millones de años, las galaxias masivas con formación estelar estaban dominadas por materia bariónica o «normal». Esto choca con lo que vemos en las galaxias actuales, en las que domina la misteriosa materia oscura. Este sorprendente resultado se obtuvo utilizando el VLT (Very Large Telescope), de ESO, y sugiere que la materia oscura en el universo temprano fue menos influyente que en la actualidad. La investigación se presenta en cuatro artículos científicos, uno de los cuales se ha publicado hoy en la revista Nature.
Vemos la materia normal como brillantes estrellas, refulgente gas y nubes de polvo. Pero la elusiva materia oscura no emite, absorbe o refleja la luz y sólo puede ser observada a través de sus efectos gravitacionales. La presencia de materia oscura puede explicar por qué las partes exteriores de galaxias espirales cercanas giran más rápido de lo que se esperaría si sólo estuvieran compuestan por la materia normal que podemos ver directamente [1].
Ahora, un equipo internacional de astrónomos dirigido por Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (Garching, Alemania), ha utilizado los instrumentos KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile, [2] para medir la rotación de seis galaxias masivas con formación estelar en el universo distante en el momento de máxima formación de galaxias, hace 10.000 millones de años.
Lo que descubrieron es intrigante: a diferencia de las galaxias espirales del universo actual, las regiones exteriores de estas galaxias distantes parecen giran más lentamente que las regiones más cercanas al núcleo, sugiriendo que hay menos materia oscura de lo esperado.
«Sorprendentemente, las velocidades de rotación no son constantes, sino que disminuyen de dentro hacia fuera en las galaxias», comenta Reinhard Genzel, autor principal del artículo de Nature. «Probablemente haya dos causas para esto. En primer lugar, la mayoría de estas galaxias masivas tempranas está fuertemente dominada por materia normal, por lo que la materia oscura juega un papel mucho menos importante que en el Universo Local. En segundo lugar, estos discos tempranos fueron mucho más turbulentos que las galaxias espirales que vemos en nuestra vecindad cósmica».
Ambos efectos parecen ser más marcados a medida que los astrónomos miran más lejos y más atrás en el tiempo, en el universo temprano. Esto sugiere que entre los 3.000 y 4.000 millones de años después del Big Bang, el gas en las galaxias ya se había condensado eficientemente en discos planos y rotantes, mientras que los halos de materia oscura alrededor de ellos eran mucho más grandes y estaban más dispersos hacia las zonas exteriores. Al parecer, la materia oscura necesitó miles de millones de años más para condensarse, por lo que su efecto dominante sólo se ve hoy en día.
Esta explicación es consistente con las observaciones que muestran que las primeras galaxias eran mucho más ricas en gas y más compactas que las galaxias actuales.
Las seis galaxias mapeadas en este estudio formaban parte de una muestra mayor de cien discos de galaxias distantes con formación estelar cuyas imágenes fueron obtenidas por los instrumentos KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile. Además de las mediciones de galaxias individuales descritas anteriormente, se ha creado una curva de rotación promedio combinando las señales más débiles de las demás galaxias. Esta curva, fruto de la composición, también mostró la misma tendencia decreciente de la velocidad a medida que se alejaban de los centros de las galaxias. Además, dos estudios de más de 240 discos de galaxias con formación estelar apoyan estos resultados.
Un modelo detallado muestra que, en promedio, mientras la materia normal suele representar aproximadamente la mitad de la masa total de todas las galaxias, en los desplazamientos al rojo más elevados, la materia normal domina completamente la dinámica de las galaxias.
Notas
[1] El disco de una galaxia espiral gira en una escala temporal de cientos de millones de años. Los núcleos de las galaxias espirales tienen una alta concentración de estrellas, pero la densidad de materia luminosa disminuye hacia la periferia. Si la masa de una galaxia estuviera formada solo por materia normal, entonces las regiones exteriores más alejadas del centro deberían girar más lentamente que las regiones densas del centro. Pero las observaciones de galaxias espirales cercanas nos muestran que sus partes internas y externas en realidad giran, aproximadamente, a la misma velocidad. Estas «curvas de rotación planas» indican que las galaxias espirales deben contener grandes cantidades de materia no luminosa en un halo de materia oscura que rodea al disco galáctico.
[2] Los datos analizados fueron obtenidos con los espectrómetros de campo integral KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO (Chile) en el marco de los sondeos KMOS3D y SINS/zC-SINF. Es la primera vez que se lleva a cabo un estudio tan completo de la dinámica de un gran número de galaxias que abarca el intervalo de desplazamiento al rojo de z~0,6 a 2,6, o 5.000 millones de años de tiempo cósmico.
Santiago de Chile, 16 de marzo 2017
Crónica Digital /eso.org
