Instituto de Astrofísica de La Plata

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Gracias a los avances tecnológicos actuales como la construcción de enormes telescopios o satélites con instrumentos cada vez más potentes, hemos avanzado mucho en el estudio del universo que nos rodea. Sin embargo, resulta inquietante que la mayor parte de los componentes del universo (tanto en materia como en energía), aún nos son desconocidos. En la "receta" para "armar" un universo como el nuestro, tenemos que poner dos ingredientes que son, hasta el momento, un gran enigma. En principio, debemos contar la llamada "energía oscura", que produce la expansión acelerada a gran escala de todo el universo. Se estima que equivale al 70% de la densidad de energía total del universo... pero aún no podemos explicar su verdadera naturaleza.

¿Qué queda del resto del universo? El resto es materia, podemos pensar aliviados. Sin embargo, la materia que conocemos, la que forma las galaxias, sus estrellas, nebulosas, planetas y toda la lista de magníficos astros, representa apenas un 4% del presupuesto total de densidad de energía del universo (recordemos que la energía y la materia son equivalentes). El resto de la receta, ese 26% faltante, constituye otro enorme misterio: "la materia oscura".

En una bizarra comparación con los humanos, podríamos decir que la materia "normal" es materia "extrovertida". Se manifiesta de innumerables maneras: la podemos detectar porque emite luz (por ejemplo, en las estrellas) o la refleja (como los planetas), ejerce fuerza de gravedad armando estrellas, sistemas estelares o uniendo las componentes de las galaxias, se relaciona con otra materia "normal" mediante fuerzas magnéticas o eléctricas. Es decir, se la puede detectar directamente con telescopios e instrumentos adecuados. Además, es la materia que nos compone, razón por la cual la podemos estudiar y conocer con gran profundidad.

Sin embargo, la mayor parte de la materia del universo, la materia oscura, es... "introvertida". Esa materia quizás esté en todas partes, aún frente a nuestros mejores detectores, pero no la podemos ver. Tímidamente, sólo se da a conocer mediante la fuerza gravitatoria. No brilla y no interactúa mediante otras fuerzas de la naturaleza, excepto por medio de la gravitación. Y como excede enormemente en cantidad a la materia normal, condiciona muchas propiedades de las galaxias tales como su forma, sus movimientos, sus vínculos con otras galaxias y la distribución de la materia en sus interiores.

Enmarcado en los arduos esfuerzos para comprender la naturaleza de la materia oscura y su influencia sobre las galaxias, el Dr. Carlos R. Argüelles, investigador del IALP (CONICET-UNLP), ICRANet y docente de la Facultad de Ciencias Exactas de la UNLP, junto a un equipo de investigadores de Italia y Francia, ha realizado un artículo que sale publicado hoy, primero de marzo de 2023, que arroja nueva luz sobre el tema, en la prestigiosa revista científica The Astrophysical Journal.

Este grupo de astrónomos ha construido un modelo teórico para la distribución de la materia oscura en las galaxias, el cual predice la formación de regiones extendidas llamadas "halos". Ellos consideran que la materia oscura está compuesta por algún tipo de partícula subatómica de la clase de los "fermiones". Los fermiones constituyen un extenso grupo de partículas que engloba, por sus propiedades cuánticas, por ejemplo, a los electrones, protones o neutrones. Se los diferencia de los "bosones" por una característica cuántica llamada espín, que hace que su comportamiento sea diferente. Entre los bosones la partícula más conocida es el fotón (la partícula de luz). Los autores del modelo sólo asumen que los fermiones de materia oscura deben ser livianos (menos masivos que un electrón), ser neutros (sin carga eléctrica) y que no sienten ninguna fuerza salvo la gravedad. Así, ellos construyen su modelo usando propiedades generales de los fermiones y la gravedad, basándose directamente en la física conocida. De este modo, los investigadores muestran que el modelo de halo de materia oscura fermiónica es capaz de explicar, simultáneamente, muchas de las propiedades observadas en la materia normal (la cual no es suficiente para dar cuenta de las mismas), tales como su distribución y sus movimientos en diferentes clases de galaxias.

Uno de los resultados más importantes del trabajo se refiere a la rotación de aquellas galaxias cuya materia se distribuye en forma de un disco chato (un disco en rotación, compuesto por miles de millones de estrellas y nebulosas de gas y polvo, como se ve en la figura). En esos casos, el modelo puede dar cuenta de cómo rotan las estrellas pertenecientes a estos discos galácticos bajo la influencia del halo de materia oscura, detallando sus velocidades desde sus regiones más internas hasta los bordes exteriores. Los astrónomos usan un gráfico de la velocidad de rotación con respecto a la distancia al centro de la galaxia: una "curva de rotación galáctica" (ver figura inserta). Por ejemplo, si las estrellas y componentes de la región central de una galaxia rotan más rápidamente que las estrellas de los bordes de la galaxia, la curva de rotación tendrá una forma decreciente. Justamente, la materia oscura se descubrió (allá por los años '60 y '70) porque las curvas de rotación tenían una forma peculiar. Eran aproximadamente planas en sus regiones externas, lo que requería de la existencia de mucha más materia que la observada.

Volviendo al artículo, los autores usaron las curvas de rotación de 120 galaxias observadas de la base de datos SPARC (Spitzer Photometry & Accurate Rotation Curves), obtenida mediante el telescopio espacial Spitzer. Con esta enorme cantidad de datos, pudieron distinguir la contribución a la rotación galáctica atribuible a la materia normal de aquella atribuible a la materia oscura, de manera de poder testear el modelo. Luego compararon las predicciones de este con los resultados de otros modelos publicados previamente que usan diferentes hipótesis sobre la distribución de materia oscura, mostrando las diferencias y ventajas del modelo propio.

Una de las predicciones más importantes que obtienen es, precisamente, la distribución de materia oscura desde el centro galáctico hacia su periferia. El modelo de halo fermiónico predice una distribución esférica de materia oscura heterogénea, la cual se encuentra altamente concentrada hacia el centro, siendo mas diluida hacia la región externa ocupada por el disco. Este resultado está en concordancia con las observaciones de curvas de rotación galactica (cuyos datos sólo son accesibles en las partes externas), mientras que arroja una novedosa predicción respecto de su distribución en la parte mas central. Esta última no puede ser reproducida por otros modelos de materia oscura basados en simulaciones numéricas de muchos cuerpos puntuales de masa, las cuales se utilizan en la actualidad (ver la figura inserta).

El modelo de halo de materia oscura fermiónica representa un potencial avance en la interpretación de muchas propiedades observadas en las galaxias, las cuales hasta el momento, sólo han sido explicadas mediante modelos fenomenológicos basados en simulaciones numéricas. En cambio, este es un modelo unificador, basado en las propiedades físicas básicas de los fermiones y la gravedad, en su capacidad de contribuir, como materia oscura, a la estructura y dinámica interna de las galaxias. De este modo, el trabajo de Argüelles y sus colaboradores nos acerca un paso más a la ansiada meta de develar el insondable misterio de la naturaleza de la materia oscura.

Título del artículo: "Galaxy rotation curves and universal scaling relations: comparison between phenomenological and fermionic dark matter profiles"

Autores: A. Krut (Italia), C. R. Argüelles (IALP, UNLP-CONICET, ICRANet), P. H. Chavanis (Francia), J. A. Rueda (Italia) y R. Ruffini (Italia).

Enlace al artículo preliminar: https://arxiv.org/abs/2302.02020

Redacción de la nota: Dr. Roberto O. J. Venero (IALP, FCAG, UNLP).