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Un mapa de materia oscura a 4,500 millones de años luz de distancia

Traducido por Mónica Caruana para Seti.cl

Un equipo internacional de astrónomos ha creado el mapa de la masa dentro de un cúmulo de galaxias con una precisión jamás obtenida, usando el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA.  Este mapa se creó usando las observaciones hechas por el programa de observación Hubble’s Frontier Fields, y muestra la cantidad y distribución de la masa dentro de MCS J0416.1–2403, un cúmulo de galaxias masivo, del que se ha descubierto que tiene una masa de 160 billones de veces la del Sol.
El nivel de detalle en este “mapa de masa” fue logrado gracias a la profundidad sin precedente de los datos, proporcionados por las nuevas observaciones de Hubble, y al fenómeno cósmico conocido como lente gravitacional fuerte. El equipo, dirigido por la Doctora Mathilde Jauzac de Durham University en el Reino Unido, y la  Astrophysics & Cosmology Research Unit en Sudáfrica, publicó sus resultados en la revista académica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El cúmulo de galaxias MCS J0416.1–2403, uno de los seis cúmulos en los que se enfoca el programa Frontier Fields de Hubble. El área azul de la imagen es un mapa de la masa creado usando las nuevas observaciones de Hubble, combinadas con el poder de amplificación del proceso llamado lente gravitacional. El gas caliente detectado por el Observatorio de Rayos X Chandra de NASA aparece en rojo, mostrando su ubicación en el cúmulo. La materia mostrada en color azul que está separada de las áreas rojas detectadas por Chandra consiste en lo que se conoce como materia oscura, que solo puede ser detectada directamente por el lente gravitacional. Crédito: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields. Reconocimiento: Mathilde Jauzac (Durham University, Reino Unido), y Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza).
El cúmulo de galaxias MCS J0416.1–2403, uno de los seis cúmulos en los que se enfoca el programa Frontier Fields de Hubble. El área azul de la imagen es un mapa de la masa creado usando las nuevas observaciones de Hubble, combinadas con el poder de amplificación del proceso llamado lente gravitacional. El gas caliente detectado por el Observatorio de Rayos X Chandra de NASA aparece en rojo, mostrando su ubicación en el cúmulo. La materia mostrada en color azul que está separada de las áreas rojas detectadas por Chandra consiste en lo que se conoce como materia oscura, que solo puede ser detectada directamente por el lente gravitacional. Crédito: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields. Reconocimiento: Mathilde Jauzac (Durham University, Reino Unido), y Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza).

Medir la cantidad y distribución de la masa dentro de objetos distantes en el Universo puede ser muy difícil. Un truco frecuentemente usado por los astrónomos para explorar el contenido de grandes cúmulos de galaxias es estudiar el efecto gravitacional que tienen sobre la luz proveniente de objetos aún más distantes. Este es uno de los propósitos principales de Frontier Fields de Hubble, un ambicioso programa de observación que está explorando seis cúmulos de galaxias diferentes, incluyendo MCS J0416.1–2403.

Cerca de tres cuartos de toda la materia en el Universo se compone de la llamada “materia oscura”, que no puede ser vista directamente ya que no emite o refleja ninguna luz, y puede atravesar otra materia sin fricción (no colisiona). Solo interectúa con la gravedad, y su presencia puede deducirse por sus efectos gravitacionales.

Uno de estos efectos fue predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein, indicando la existencia de grandes aglomeraciones de masa en el Universo que deforman y distorsionan el espacio-tiempo alrededor de ellas.

A manera de lentes, parecen aumentar y doblar la luz que viaja a través de ellas desde objetos más distantes. Esta es una de las pocas técnicas que los astrónomos pueden usar para estudiar la materia oscura.

A pesar de sus grandes masas, el efecto que los cúmulos de galaxias tienen sobre lo que los rodea es mínimo. En mayor parte lo que causan es un débil efecto de lente, haciendo que las fuentes aún más distantes aparezcan solo ligeramente más elípticas o extendidas en el cielo. Sin embargo, cuando el cúmulo es lo suficientemente grande y denso y la alineación del cúmulo y los objetos distantes es preciso, los efectos pueden ser más dramáticos. Las imágenes de galaxias normales se transforman en aros y arcos de luz, apareciendo incluso varias veces en la misma imagen. Este efecto es conocido como efecto de lente fuerte. Este fenómeno, visto alrededor de los seis cúmulos de galaxias en los que se enfoca el programa Frontier Field, es lo que se ha utilizado para hacer el mapa de la distribución de la masa de MCS J0416.1–2403, usando los nuevos datos de Hubble.

“La profundidad de los datos nos permite ver objetos muy tenues, y nos ha permitido identificar más galaxias amplificadas que nunca,” explica la Doctora Jauzac, autora principal de la nueva publicación de Frontier Fields.

“Aunque el lente fuerte amplifica las galaxias que están en el fondo, aún así se encuentran muy alejadas, y son muy tenues. La profundidad de estos datos significa que podemos identificar galaxias en el fondo que están increíblemente distantes. Ahora conocemos una cantidad de galaxias amplificadas por lente fuerte cuatro veces mayor de la que conocíamos antes.”

Usando la Cámara Avanzada para Sondeos de Hubble, los astrónomos identificaron 51 galaxias de imagen multiplicada, el cuádruple de las que se había descubierto en sondeos previos, sumando el gran total de 68 galaxias lentificadas. Ya que estas galaxias se pueden ver varias veces, esto es igual a casi 200 imágenes lentificadas individuales, que pueden ser vistas a lo largo de la imagen. Este efecto ha permitido a Jauzac y sus colegas calcular la distribución de la materia visible y la oscura en el cúmulo, y así producir un mapa  altamente restringido de su masa.

“A pesar de que hemos sabido por más de veinte años cómo hacer un mapa de la masa de un cúmulo usando el efecto de lente fuerte, ha tomado mucho tiempo obtener telescopios que puedan hacer observaciones lo suficientemente profundas y nítidas, así como el que nuestros modelos se volvieran lo suficientemente sofisticados para que pudiéramos hacer un mapa, con un nivel de detalle sin precedentes, de un sistema tan complicado como lo es  MCS J0416.1–2403,” explica Jean-Paul Kneib, miembro del equipo.

Estudiando 57 de las galaxias lentificadas con mayor claridad y confiabilidad, los astrónomos hicieron el modelo de la masa tanto como de la materia normal como de la oscura dentro de MCS J0416.1-2403. “¡Nuestro mapa es dos veces mejor que cualquier modelo previo de este cúmulo!”, añade Jauzac.

Se descubrió que la masa total dentro de  MCS J0416.1-2403 –modelada con una extensión de 650,000 años luz de un extremo a otro–, es de 160 billones de veces la del Sol. Con un porcentaje de incertidumbre de 0.5%, esta medida es la más precisa de la masa de un cúmulo que jamás se haya producido. Al señalar con precisión el lugar donde la masa reside dentro de cúmulos como este, los astrónomos también están midiendo la deformación del espacio-tiempo con gran precisión.

“Las observaciones y las técnicas de lentificación gravitacional de Frontier Fields han hecho posible caracterizar objetos distantes de manera precisa: en este caso, un cúmulo tan lejano que su luz ha tardado 4,500 millones de años luz en alcanzarnos” añade Jean-Paul Kneib.

“Pero no vamos a parar aquí. Para obtener una imagen completa de la masa necesitamos incluir también las medidas de lentificación débil. Aunque la lentificación débil solo puede darnos una estimación aproximada de la masa del núcleo interno de un cúmulo, también nos proporciona información valiosa sobre la masa alrededor del núcleo del cúmulo”.

El equipo continuará estudiando el cúmulo usando captura de imagen ultra-profunda de Hubble, así como información de lentificación fuerte y débil para hacer el mapa de las regiones exteriores del cúmulo, así como del núcleo interno, y así se podrá detectar las subestructuras en los alrededores del cúmulo. También utilizarán medidas de rayos X del gas caliente obtenidas por el observatorio Chandra y desplazamientos al rojo espectroscópicos hechos por observatorios en tierra para hacer el mapa del contenido del cúmulo, evaluando la contribución respectiva de la materia oscura, el gas y las estrellas.

La combinación de estas fuentes de datos potencializará aún más el nivel de detalle de este mapa de distribución de masa, mostrándolo en 3D e incluyendo las velocidades relativas de las galaxias dentro de este. Esto allanará el camino para la comprensión de la historia y evolución de este cúmulo de galaxias.

Fuente

¿Materia oscura o gravedad modificada?

Escrito por Prof. Alberto Unapiedra

La Dinámica Newtoneana Modificada (MoND por sus iniciales en inglés) se presenta como una alternativa a la elusiva materia oscura.
 

Hace un tiempo escribí sobre la gravedad (o más correctamente interacción gravitatoria) en una nota. Comenté la teoría original de Newton y la posterior revolución de la Teoría General de la Relatividad que ya no habla de una fuerza o interacción sino de un efecto provocado por la geometría del espacio-tiempo. También recordé que es posible retener la interpretación original de la gravedad como una de las cuatro interacciones fundamentales, siempre y cuando se la pueda cuantificar es decir encontrar la partícula mediadora de la interacción (el gravitón). En una nota más reciente comenté que la dificultad de entender a la gravedad en el mismo contexto cuántico de las otras fuerzas conocidas había dado lugar a la Teoría de Cuerdas, mientras que en una nota sobre el bosón de Higgs mencionaba que esta partícula era el resultado de una teoría pensada también para incluir a la gravedad dentro del Modelo Estándar. Como vemos, parece haber más problemas que soluciones desde que, según cuenta la leyenda apócrifa, a Sir Newton le pegó la manzana en el marote.

Experimentando con la gravedad
Experimentando con la gravedad – Ilustración de Mariela Ballesta – https://www.facebook.com/marie.enchastrada.3

 

Siguiendo con otras notas ya publicadas (no es que no tenga ganas de escribir, sino que no quiero repetirme…) la que más necesito recordar para seguir con el tema de la presente es aquella que habla de la materia oscura. La historia comienza cuando los astrónomos empezaron a estudiar la rotación de las galaxias que podemos observar desde la Tierra. El resultado esperado era que la velocidad de las estrellas que las componen fuera cada vez menor a medida que nos alejamos del centro galáctico (lo que se representa en la curva azul en el dibujo de abajo). Esto es análogo a lo que se observa con los planetas que giran alrededor del Sol: los más alejados tienen velocidades menores que los más cercanos. En lugar de esto lo que se observa es la curva roja. La velocidad es constante a partir de una cierta distancia, es decir que la galaxia gira como si fuera un objeto rígido.

Curva de rotación de una galaxia
Velocidad de las estrellas de una galaxia en función de su distancia al centro. La curva azul es la esperada, mientras que la roja es lo que se observa.

Enfrentados a la evidencia experimental, que en realidad completaba otras observaciones realizadas en 1933 de las órbitas de algunas galaxias en cúmulos alejados, los astrónomos propusieron la existencia de una mayor cantidad de materia en las galaxias de la que podíamos «ver», en el sentido más amplio de la palabra. Esta materia oscura parecía no interactuar con la radiación electromagnética. No emitía ni absorbía luz visible, ni de ninguna otra longitud de onda (infrarrojo, rayos X, rayos gamma u ondas de radio). Otras teorías incluyen este nuevo tipo de materia dentro de la evolución de las galaxias y predicen que su existencia tiene efectos visibles (y detectados) en la radiación de fondo de microondas.

A pesar de todo esto, hay algunas cosas que no se pueden explicar con la materia oscura. Algunos comportamientos a pequeña escala (al nivel de una galaxia o más pequeño en lugar de objetos más grandes como cúmulos o supercúmulos). Pero en realidad lo más difícil de explicar es qué es y por qué no podemos detectarla. Existen experimentos en laboratorios, en aceleradores de partículas y en satélites que la buscan hace tiempo y no encuentran más que algunos indicios, pero nada concreto. Esto de por sí no descarta su existencia, pero sí obliga a los científicos a considerar otras posibilidades.

Una alternativa sería pensar algo revolucionario: si los experimentos nos dicen que la gravedad que conocemos no puede explicar algo tan simple como la rotación de una estrella dentro de una galaxia, entonces por qué no preguntarnos si no hay que modificar aunque sea un poco los mismos principios que Newton nos explicó hace más de 300 años. De eso se trata la Dinámica Newtoneana Modificada (MoND) que corrige uno de los pilares más sólidos de la física: la llamada Segunda Ley de Newton. Esto no es otra cosa que la proporcionalidad entre la fuerza (F) y la aceleración (a) a través de la masa (m): F = m . a

Lo que dice la MoND es que si la aceleración es muy pequeña, como sucede en las interacciones entre galaxias, esta proporcionalidad ya no es tan simple y debemos agregar otros factores a la ecuación. Utilizando los datos de movimientos en cúmulos de galaxias se pueden obtener los parámetros que faltan y luego utilizarlos para ver si funcionan en otras circunstancias. Esto mismo fue lo que hicieron recientemente Stacy McGaugh y Mordehai Milgrom (el padre de la teoría MoND ) estudiando las galaxias enanas que orbitan alrededor de Andrómeda, la galaxia gemela de la Via Láctea.

Andrómeda y sus galaxias satélites
Andrómeda y sus galaxias satélites

El resultado es que la nueva teoría explica mejor las observaciones que la existencia de materia oscura, con la cual los astrónomos ni siquiera sabrían como empezar a hacer los cálculos. Pudieron predecir la velocidad de 17 galaxias diferentes.

¿Es un motivo para olvidarnos de la materia oscura? Seguro que no, justamente porque antes dijimos que con ella se explican otras cuestiones cosmológicas. Pero también es un respaldo muy importante para la teoría de gravedad modificada. Hasta este estudio todos pensaban que el día que se descubriera la materia oscura sería el día de la muerte de las teorías MoND. Ahora tendrán que pensarlo dos veces, ya que parece más difícil explicar todas las observaciones mencionadas con una sola de las teorías. Una vez más, los científicos proponen pero los datos disponen.

Aquí el trabajo original de McGaugh y Milgrom

 

**El Profesor Alberto Unapiedra nació en 2011 como uno más de los personajes que escriben en El Mendolotudo, una publicación electrónica sobre diversos temas. En su caso la idea era llevar la ciencia a los lectores de manera informal, entretenida y divertida.

Con el tiempo el Profe fue levantando vuelo, difundiendo notas en Facebook y Twitter, hasta llegar a tener su propia columna sobre ciencia y tecnología en Radio Atomika y su propio blog, Unapiedra Magazine.

La persona detrás del personaje es el Dr. Julio Rodriguez Martino.

¿Serio golpe a las teorías sobre Materia Oscura?

Esta impresión artística muestra nuestra galaxia, la Vía Láctea. El halo azul de materia que rodea la galaxia indica la distribución esperada de la misteriosa materia oscura, introducida por los astrónomos para explicar las propiedades de rotación de la galaxia, y constituye ahora un ingrediente esencial de las actuales teorías de formación y evolución de las galaxias. Nuevas medidas muestran que la cantidad de materia oscura en la amplia región alrededor del Sol es mucho más pequeña de la que se había predicho e indica que no hay una cantidad significativa de materia oscura en la vecindad. Crédito: ESO/L. Calçada

El estudio más preciso hecho hasta el momento sobre los movimientos de las estrellas en la Vía Láctea no ha encontrado evidencias de materia oscura en un amplio espacio alrededor del Sol. De acuerdo con las teorías ampliamente aceptadas, las vecindades del Sol deberían estar repletas de materia oscura, una misteriosa sustancia invisible que solo puede detectarse de manera indirecta por la fuerza gravitatoria que ejerce. Pero, en este nuevo estudio, llevado a cabo en Chile por un equipo de astrónomos, las teorías no coinciden con los hechos observacionales. Esto puede significar que es bastante improbable que los intentos por detectar directamente partículas de materia oscura en la Tierra tengan éxito.

Utilizando, junto con otros telescopios, el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros de ESO, en el Observatorio de La Silla, un equipo ha cartografiado los movimientos de más de 400 estrellas situadas a más de 13.000 años luz del Sol. Con estos nuevos datos han calculado la masa de materia en las vecindades de nuestro Sol, teniendo en cuenta un volumen cuatro veces mayor que el utilizado hasta ahora.

“La cantidad de masa derivada encaja muy bien con lo que vemos — estrellas, polvo y gas — en la región que rodea al Sol,” afirma el líder del equipo Christian Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chile). “Pero esto no deja espacio para materia extra — la materia oscura — que esperábamos encontrar. Nuestros cálculos muestran que debería haberse visto claramente en nuestras medidas. Pero, simplemente, ¡no estaba allí!”.

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La materia oscura es una sustancia misteriosa que no puede verse, pero que se muestra por la atracción gravitatoria que ejerce en la materia que hay a su alrededor. Este ingrediente extra del cosmos se sugirió en un principio como explicación de por qué las partes más externas de las galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea, rotaban tan rápido, pero la materia oscura ahora también es un componente esencial de las teorías que intentan explicar cómo se formaron y evolucionaron las galaxias.

Hoy en día se acepta ampliamente que este componente oscuro constituye cerca del 80% de la masa del Universo, pese al hecho de que se ha resistido a todos los intentos de aclarar su naturaleza, que permanece a oscuras. Todos los intentos por detectar materia oscura en laboratorios en Tierra han sido un fracaso.

Midiendo cuidadosamente los movimientos de numerosas estrellas, particularmente aquellas que están lejos del plano de la Vía Láctea, el equipo pudo ir hacia atrás, deduciendo cuánta materia hay presente. Los movimientos son el resultado de la atracción gravitatoria mutua de todo el material, ya sea materia normal, como estrellas, o materia oscura.

Impresión artística de la distribución esperada de materia oscura en la Vía Láctea. Crédito: ESO

Los actuales modelos de los astrónomos, que explican cómo se forman y rotan las galaxias, sugieren que la Vía Láctea está rodeada por un halo de materia oscura. No pueden predecir con precisión qué forma adquiere el halo, aunque se espera encontrar una gran cantidad de esta materia oscura en la región que rodea al Sol. Pero solo formas muy improbables para el halo de material oscura — como una forma muy alargada — pueden explicar la ausencia de materia oscura revelada en el nuevo estudio.

Los nuevos resultados también significan que los intentos por detectar materia oscura en la Tierra para explicar las extrañas interacciones entre las partículas de materia oscura y la materia “normal” tienen pocas probabilidades de éxito.

“Pese a los nuevos resultados, la Vía Láctea rota sin duda más rápido de lo que cabría esperar si solo fuera materia visible. Por tanto, si la materia oscura no está presente donde suponíamos que debía estar, debemos encontrar una nueva solución para el problema de la materia que falta. Nuestros resultados contradicen los modelos aceptados actualmente. El misterio de la materia oscura acaba de hacerse aún más misterioso. Los próximos sondeos, como el de la misión Gaia de la ESA, serán cruciales para dar un paso adelante en este punto”, concluye Christian Moni Bidin.

Fuente: ESO

Tres nuevos mapas arrojan luz sobre la materia oscura

Tres equipos de astrónomos han publicado nuevos mapas mejorados de la materia oscura que surca el universo.

Mapa de materia oscura realizado por el equipo del CFHTLenS
El CFHTLenS revela acumulaciones de materia oscura

Los tres grupos en forma independiente han graficado la sustancia misteriosa observando la forma en que su presencia distorsiona las imágenes de galaxias lejanas a medida que su luz viaja hacia la Tierra.

Además de proporcionar más conocimientos sobre la materia oscura, los estudios podrían aportar información crucial sobre otra sustancia misteriosa: la energía oscura.

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Dudas sobre el ‘lado oscuro’: ¿graves errores en los datos del Big Bang?

Un nuevo estudio de astrónomos en el Departamento de Física de la Universidad de Durham sugiere que la creencia convencional sobre el contenido del Universo podría estar equivocada.

Las fuentes de radio utilizadas por Sawangwit y Shanks están marcadas con círculos en el mapa WMAP CMB. Crédito: NASA/WMAP plus Durham University

El estudiante de postgrado Utane Sawangwit y el profesor Tom Shanks usaron las observaciones del satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) para estudiar el calor remanente del Big Bang. Los dos científicos encontraron pruebas de que los errores en sus datos pueden ser mucho mayores de lo que antes se pensaba, lo que a su vez hace que el modelo estándar del Universo abra una interrogante. El equipo publica sus resultados en la prestigiosa revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Continue reading «Dudas sobre el ‘lado oscuro’: ¿graves errores en los datos del Big Bang?»

Desarrollan un prototipo para detectar materia oscura

Un equipo de investigadores de la Universidad de Zaragoza (UNIZAR) y del Instituto de Astrofísica Espacial (IAS, en Francia) ha desarrollado un “bolómetro centelleador”, un dispositivo con el que los científicos tratarán de detectar la materia oscura del Universo y que se ha probado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (Huesca).

Cristal centelleador de BGO (dcha, en azul) y disco de germanio (izqda) utilizado para la detección de la luz emitida por el cristal. Foto: IAS / SINC.
Cristal centelleador de BGO (dcha, en azul) y disco de germanio (izqda) utilizado para la detección de la luz emitida por el cristal. Foto: IAS / SINC.

“Uno de los desafíos de la Física actual es averiguar la naturaleza de la materia oscura, que aunque parece constituir la cuarta parte de la materia del Universo, no se puede observar directamente; por lo que tratamos de detectarla con prototipos como el que hemos desarrollado”, explica a SINC Eduardo García Abancéns, investigador del Laboratorio de Física Nuclear y Astropartículas de la UNIZAR.
García Abancéns es uno de los científicos del proyecto ROSEBUD (acrónimo de Rare Objects SEarch with Bolometers UndergrounD – Búsqueda de Objetos Raros con Bolómetros Subterráneos), una colaboración internacional entre el Instituto de Astrofísica Espacial (CNRS-Universidad de París-Sur, en Francia) y la Universidad de Zaragoza, dedicada a la búsqueda de materia oscura en la Vía Láctea.
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