Los astrónomos crean un nuevo mapa celeste de los alcances exteriores de la Vía Láctea

Las imágenes de la Vía Láctea y la Gran Nube de Magallanes (LMC) en este mapa del halo galáctico circundante. La estructura más pequeña es una estela creada por el movimiento del LMC a través de esta región. La característica más grande de color azul claro corresponde a una alta densidad de estrellas observada en el hemisferio norte de nuestra galaxia.
Créditos: NASA / ESA / JPL-Caltech / Conroy et. Al. 2021.

El punto culminante del nuevo mapa es una estela de estrellas, provocada por una pequeña galaxia preparada para chocar con la Vía Láctea. El mapa también podría ofrecer una nueva prueba de las teorías de la materia oscura.

Los astrónomos que utilizan datos de telescopios de la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea) han publicado un nuevo mapa de de la región más externa de nuestra galaxia. Conocida como el halo galáctico, esta área se encuentra fuera de los brazos espirales que forman el disco central reconocible de la Vía Láctea y está escasamente poblada de estrellas. Aunque el halo puede parecer en su mayor parte vacío, las predicciones indican que contiene un depósito masivo de materia oscura, una sustancia misteriosa e invisible que se cree que constituye la mayor parte de toda la masa del universo.

Los datos con los que se ha realizado el nuevo mapa, provienen de la misión Gaia de la ESA y del Explorador de Levantamiento Infrarrojo de Campo Amplio de Objetos Cercanos a la Tierra de la NASA, o NEOWISE, que operó de 2009 a 2013 bajo el nombre de WISE. El estudio utiliza datos recopilados por la nave espacial entre 2009 y 2018.

Este video muestra el disco central de nuestra Vía Láctea y una galaxia cercana más pequeña llamada Gran Nube de Magallanes. Un nuevo mapa estelar de todo el cielo traza la ubicación de las estrellas en los confines exteriores de la Vía Láctea (conocido como halo galáctico), de 200.000 a 325.000 años luz de distancia del centro de la Vía Láctea.
Créditos: NASA / JPL-Caltech / NSF / R. Herido / N. Garavito-Camargo y G. Besla.

El nuevo mapa revela cómo una pequeña galaxia llamada Gran Nube de Magallanes (LMC), llamada así porque es la más grande de las dos galaxias enanas que orbitan la Vía Láctea, navegó a través del halo galáctico de la Vía Láctea como un barco a través del agua, creando una ola de gravedad a su paso sobre las estrellas. El LMC se encuentra a unos 160.000 años luz de la Tierra y tiene menos de una cuarta parte de la masa de la Vía Láctea.

Aunque las porciones internas del halo se han cartografiado con un alto nivel de precisión, este es el primer mapa que proporciona una imagen similar de las regiones externas del halo, donde se encuentra la estela, de 200.000 a 325.000 años luz de distancia del centro galáctico. Estudios previos insinuaron la existencia de la estela, pero este mapa global confirma su presencia y ofrece una vista detallada de su forma, tamaño y ubicación.

Esta perturbación en el halo también brinda a los astrónomos la oportunidad de estudiar algo que no se puede observar directamente: la materia oscura. Si bien no emite, refleja ni absorbe luz, se ha observado la influencia gravitacional de la materia oscura en todo el universo. Se cree que forma un andamio sobre el que se construyen las galaxias, de modo que sin él, las galaxias se separarían d3ebido al giro de las mismas. Se estima que la materia oscura es cinco veces más común en el universo que toda la materia que emite y/o interactúa con la luz, desde las estrellas hasta los planetas y las nubes de gas.

Aunque existen múltiples teorías sobre la naturaleza de la materia oscura, todas ellas indican que debería estar presente en el halo de la Vía Láctea. Si ese es el caso, cuando la LMC navegue por esta región, también debería dejar una estela en la materia oscura. Se cree que la estela observada en el nuevo mapa estelar es el contorno de esta estela de materia oscura; las estrellas son como hojas en la superficie de este océano invisible, y su posición cambia con la materia oscura.

La interacción entre la materia oscura y la Gran Nube de Magallanes tiene grandes implicaciones para nuestra galaxia. A medida que la LMC orbita la Vía Láctea, la gravedad de la materia oscura arrastra la LMC y la ralentiza. Esto hará que la órbita de la galaxia enana se haga cada vez más pequeña, hasta que la galaxia finalmente colisione con la Vía Láctea dentro de 2.000 millones de años. Este tipo de fusiones podría ser un factor clave en el crecimiento de galaxias masivas en todo el universo. De hecho, los astrónomos creen que la Vía Láctea se fusionó con otra pequeña galaxia hace unos 10.000 millones de años.

“Esta sustración de la energía de una galaxia más pequeña no solo es la razón por la que LMC se está fusionando con la Vía Láctea, sino también es la razón por la que ocurren todas las fusiones de galaxias”, dijo Rohan Naidu, estudiante de doctorado en astronomía en la Universidad de Harvard y coautor del nuevo artículo. “¡La estela en nuestro mapa es una confirmación muy clara de que nuestra imagen básica de cómo se fusionan las galaxias es acertada!”

Una extraña oportunidad

Los autores del artículo también piensan que el nuevo mapa, junto con datos adicionales y análisis teóricos, puede proporcionar una prueba para diferentes teorías sobre la naturaleza de la materia oscura, si consta de partículas, como la materia regular, y cuáles serían las propiedades de las partículas de la materia oscura.

“Puedes imaginar que la estela detrás de un barco será diferente si el barco navega por el agua o por la miel”, dijo Charlie Conroy, profesor de la Universidad de Harvard y astrónomo del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, coautor del estudio. “En este caso, las propiedades de la estela están determinadas por la teoría que aplicamos de la materia oscura”.

Conroy lideró el equipo que trazó las posiciones de más de 1.300 estrellas en el halo. El desafío surgió al tratar de medir la distancia exacta de la Tierra a una gran parte de esas estrellas: a menudo es imposible determinar si una estrella es débil y cercana o brillante y lejana. El equipo utilizó datos de la misión Gaia de la ESA, que proporciona la ubicación de muchas estrellas en el cielo, pero no puede medir las distancias a las estrellas en las regiones exteriores de la Vía Láctea.

Después de identificar la probabilidad de la ubicación de las estrellas en el halo, el equipo buscó estrellas pertenecientes a una clase de estrellas gigantes con una “firma” de luz específica detectable por NEOWISE. Conocer las propiedades básicas de las estrellas seleccionadas permitió al equipo calcular su distancia a la Tierra y crear el nuevo mapa. Éste, traza una región que comienza a unos 200.000 años luz del centro de la Vía Láctea, o aproximadamente donde se predijo que comenzaría la estela de la LMC, y se extiende unos 125.000 años luz más allá.

Conroy y sus colegas se inspiraron para buscar la estela de LMC después de conocer a un equipo de astrofísicos de la Universidad de Arizona en Tucson que crearon modelos informáticos que predicen cómo debería ser la materia oscura en el halo galáctico. Los dos grupos trabajaron juntos en el nuevo estudio.

Un modelo del equipo de Arizona, incluido en el nuevo estudio, predijo la estructura general y la ubicación específica de la estela provocada por las estrellas revelada en el nuevo mapa. Una vez que los datos confirmaron que el modelo era correcto, el equipo pudo confirmar lo que otras investigaciones también insinuaron: es probable que la LMC esté en su primera órbita alrededor de la Vía Láctea. Si la galaxia más pequeña ya hubiera realizado múltiples órbitas, la forma y ubicación de la estela serían significativamente diferentes de lo que se ha observado. Los astrónomos creen que la LMC se formó en el mismo entorno que la Vía Láctea y otra galaxia cercana, la M31, y que está cerca de completar una primera órbita larga alrededor de nuestra galaxia. Su próxima órbita será mucho más corta debido a su interacción con la Vía Láctea.

“Confirmar nuestra predicción teórica con datos de observación nos dice que nuestra comprensión de la interacción entre estas dos galaxias, incluida la materia oscura, va por buen camino”, dijo el estudiante de doctorado en astronomía de la Universidad de Arizona Nicolás Garavito-Camargo, quien dirigió el trabajo en el modelo utilizado en el documento.

El nuevo mapa también brinda a los astrónomos una oportunidad excepcional de probar las propiedades de la materia oscura (el agua o la miel teóricas) en nuestra propia galaxia. En el nuevo estudio, Garavito-Camargo y sus colegas utilizaron una teoría de materia oscura llamada materia oscura fría que se ajusta relativamente bien al mapa estelar observado. Ahora, el equipo de la Universidad de Arizona está ejecutando simulaciones que utilizan diferentes teorías de la materia oscura para ver cuál coincide mejor con la estela observada en las estrellas.

“Es un conjunto de circunstancias realmente especial que se unieron para crear este escenario que nos permite probar nuestras teorías de la materia oscura”, dijo Gurtina Besla, coautora del estudio y profesora asociada de la Universidad de Arizona. “Pero solo podemos realizar esa prueba con la combinación de este nuevo mapa y las simulaciones de materia oscura que construimos”.

Lanzada en 2009, la nave espacial WISE se puso en hibernación en 2011 después de completar su misión principal. En septiembre de 2013, la NASA reactivó la nave espacial con el objetivo principal de escanear el firmamento en busca de objetos cercanos a la Tierra, o NEO, y la misión y la nave espacial pasaron a llamarse NEOWISE. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California administró y operó WISE para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA. La misión fue seleccionada de manera competitiva en el marco del Programa de Exploradores de la NASA administrado por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la agencia en Greenbelt, Maryland. NEOWISE es un proyecto de JPL, una división de Caltech, y la Universidad de Arizona, con el apoyo de la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria de la NASA.