El misterio de la materia oscura en la galaxia DF2

Cuando los astrónomos que usaron el telescopio espacial Hubble de la NASA descubrieron una galaxia algo extraña que parecía no tener mucha materia oscura, algunos pensaron que el hallazgo era difícil de creer y buscaron una explicación más sencilla.

La materia oscura es el pegamento invisible que constituye la mayor parte de la materia del universo. Todas las galaxias parecen estar dominadas por él; de hecho, se cree que las galaxias se forman dentro de inmensos halos de materia oscura.

Por lo tanto, encontrar una galaxia que carece de material invisible es una afirmación extraordinaria que desafía los conocimientos actuales. Tendría el potencial de alterar las teorías de formación y evolución de galaxias.

Para reforzar su hallazgo original, informado por primera vez en 2018 (Dark Matter Goes Missing in Oddball Galaxy (hubblesite.org)), un equipo de científicos dirigido por Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale, en New Haven, Connecticut, continuó su estudio inicial con una observación más exhaustiva a la galaxia, llamada NGC 1052-DF2 (o “DF2”), utilizando el Hubble.

“Nos arriesgamos con nuestras observaciones iniciales del Hubble a esta galaxia en 2018”, dijo van Dokkum. “Creo que la gente hizo bien en cuestionarlo porque es un resultado muy inusual. Sería bueno si hubiera una explicación simple, como una distancia incorrecta. Pero creo que es más divertido e interesante si en realidad es una galaxia extraña”.

Para determinar la cantidad de materia oscura de la galaxia se necesitan medidas precisas de la distancia a la que se encuentra de la Tierra.

Si DF2 está tan lejos de la Tierra como afirma el equipo de van Dokkum, el contenido de materia oscura de la galaxia puede ser solo un pequeño porcentaje. La conclusión del equipo se basa en los movimientos de las estrellas dentro de la galaxia; sus velocidades están influenciadas por la fuerza de la gravedad. Los investigadores encontraron que el número observado de estrellas representa la masa total de la galaxia y no queda mucho espacio para la materia oscura.

Sin embargo, si DF2 estuviera más cerca de la Tierra, como afirman algunos astrónomos, sería intrínsecamente más débil y menos masiva. La galaxia, por lo tanto, necesitaría materia oscura para explicar los efectos observados en la masa total.

Esta imagen del telescopio espacial Hubble ofrece una muestra de estrellas rojas envejecidas en la galaxia ultradifusa NGC 1052-DF2, o DF2. La galaxia continúa desconcertando a los astrónomos porque apenas posee de materia oscura, una forma invisible de materia que proporciona el pegamento gravitacional para mantener unidas a las galaxias. Establecer con precisión la distancia de la galaxia a la Tierra es un paso hacia la resolución del misterio. El primer plano a la derecha revela las muchas estrellas gigantes rojas viejas en las afueras de la galaxia que se utilizan como marcadores intergalácticos. Los investigadores calcularon una distancia más precisa a DF2 utilizando el Hubble para observar alrededor de 5.400 gigantes rojas. Todas estas estrellas más viejas alcanzan el mismo brillo máximo, por lo que son criterios fiables para medir distancias a las galaxias. El equipo de investigación estima que DF2 está a 72 millones de años luz de la Tierra. Dicen que la medición de la distancia solidifica su afirmación de que DF2 carece de materia oscura. La galaxia contiene a lo sumo una cuarta parte de la cantidad de materia oscura de la que esperaban los astrónomos, basándose en la teoría y observaciones de muchas otras galaxias. Llamada galaxia ultradifusa, el ente galáctico es casi tan ancho como la Vía Láctea, pero contiene solo 1 de cada 200 estrellas que posee nuestra galaxia. La galaxia fantasmal no parece tener una región central notable, brazos espirales o un disco. Las observaciones se tomaron entre diciembre de 2020 y marzo de 2021 con la Hubble’s Advanced Camera for Surveys de Hubble.
Créditos:
CIENCIA: NASA, ESA, STScI, Zili Shen (Yale), Pieter van Dokkum (Yale), Shany Danieli (IAS). PROCESAMIENTO DE IMÁGENES: Alyssa Pagan (STScI).
Buscando el mejor criterio 

El miembro del equipo Zili Shen, de la Universidad de Yale, dice que las nuevas observaciones del Hubble les ayudan a confirmar que DF2 está más lejos de la Tierra de lo que sugieren algunos astrónomos, incluso un poco más distante que las estimaciones originales del equipo.

La nueva estimación de la distancia indica que DF2 está a 72 millones de años luz, en contraposición a los informes de otros equipos independientes que la sitúan a 42 millones de años luz. Esta nueva estimación coloca a la galaxia más lejos que la estimación original realizada con el Hubble en 2018, que era de 65 años luz de distancia.

El equipo de investigación basó su nuevo resultado en exposiciones prolongadas con la Advanced Camera for Surveys de Hubble, que proporciona una mirada más profunda de la galaxia para encontrar un criterio fiable para precisar la distancia. Apuntaron a estrellas gigantes rojas en las afueras de la galaxia que alcanzan el mismo brillo máximo en su evolución. Los astrónomos pueden utilizar el brillo intrínseco de las estrellas para calcular vastas distancias intergalácticas. “El estudio de las gigantes rojas más brillantes, es un indicador de distancia bien establecido para las galaxias cercanas”, explicó Shen.

Los miembros del equipo dicen que las mediciones más precisas del Hubble solidifican la conclusión inicial de los investigadores de que la galaxia es deficiente en materia oscura. Es por ello que el misterio de por qué al DF2 le falta la mayor parte de su materia oscura, aún persiste.

“En casi todas las galaxias que observamos, decimos que no podemos ver la mayor parte de la masa porque es materia oscura”, explicó van Dokkum. “Lo que ves es solo la punta del iceberg con el Hubble. Pero en este caso, lo que ves es lo que hay. Hubble realmente muestra todo. Eso es todo. No es solo la punta del iceberg, es todo el iceberg. “

El artículo científico del equipo está publicado en The Astrophysical Journal Letters.

Una galaxia sigilosa

DF2 es una gigante bola de algodón cósmica que van Dokkum llama “galaxia transparente”, donde residen las estrellas. El ente galáctico es casi tan ancho como la Vía Láctea, pero contiene solo 1 de cada 200 estrellas que contiene nuestra galaxia.

La galaxia fantasmal no parece tener una región central notable, brazos espirales o un disco. El equipo estima que DF2 contiene a lo sumo, una cuarta parte de la cantidad de materia oscura de lo que esperaban los astrónomos. Cómo se formó la galaxia sigue siendo un completo misterio según las últimas mediciones del equipo.

Cuando los astrónomos que usaron el telescopio espacial Hubble de la NASA descubrieron una galaxia extraña que parecía no tener mucha materia oscura, algunos pensaron que el hallazgo era difícil de creer y buscaron una explicación más simple. Después de todo, la materia oscura es el pegamento invisible que constituye la mayor parte del contenido del universo. Todas las galaxias están dominadas por él; de hecho, se cree que las galaxias se forman dentro de inmensos halos de materia oscura. Por ello, encontrar una galaxia que carece de material invisible es una afirmación extraordinaria que desafía el conocimiento actual. Tendría el potencial de alterar las teorías de formación y evolución de galaxias.
Créditos: Goddard Space Flight Center de la NASA.

DF2 no es la única galaxia desprovista de materia oscura. Shany Danieli del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey, usó el Hubble en 2020 para obtener una distancia precisa a otra galaxia fantasmal, llamada NGC 1052-DF4 (o simplemente DF4), que aparentemente también carece de materia oscura.

Los investigadores creen que tanto DF2 como DF4 eran miembros de una colección de galaxias. Sin embargo, las nuevas observaciones del Hubble muestran que las dos galaxias están a 6,5 millones de años luz de distancia entre sí, más alejadas de lo que pensaban en un principio. También parece que DF2 se ha alejado de la agrupación y está aislada en el espacio.

Ambas galaxias fueron descubiertas con Dragonfly Telephoto Array en el observatorio New Mexico Skies.

“Probablemente ambas estaban en el mismo grupo y se formaron al mismo tiempo”, dijo Danieli. “Tal vez hubo algo especial en el entorno donde se formaron”…

Los investigadores están buscando más de este tipo de galaxias extrañas. En 2020, un grupo de investigadores descubrió 19 galaxias enanas inusuales que, según dicen, son deficientes en materia oscura (Fuera de la relación bariónica Tully-Fisher: una población de galaxias ultradifusas dominadas por bariones – IOPscience). Sin embargo, será necesario descubrir muchas más galaxias sin materia oscura para resolver el misterio.

Van Dokkum cree que encontrar una galaxia que carece de materia oscura indica a los astrónomos algo sobre la sustancia invisible. “En nuestro artículo de 2018, sugerimos que si tienes una galaxia sin materia oscura, y otras galaxias similares parecen tenerla, eso significa que la materia oscura es real y existe”, dijo van Dokkum. “No es un espejismo”.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Space Telescope Science Institute (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Association of Universities for Research in Astronomy en Washington, D.C.

Edición: R. Castro.