ALMA revela una firma sutil de materia oscura

Observaciones pioneras revelan fluctuaciones de la materia oscura por debajo del nivel de las galaxias, confirmando teorías sobre la materia oscura fría y proporcionando nuevos conocimientos sobre la formación del universo.

Un equipo de investigación dirigido por el profesor Kaiki Taro Inoue de la Universidad de Kindai (Osaka, Japón) ha detectado fluctuaciones en la distribución de la materia oscura en el universo en escalas más pequeñas que las galaxias masivas utilizando el radiointerferómetro más potente del mundo, el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. .Matriz).Alma), ubicado en la República de Chile.

Esta es la primera vez que se detectan fluctuaciones espaciales de materia oscura en el universo distante en una escala de 30 mil años luz. Este resultado muestra que la materia oscura fría^[1] Esto es preferible incluso en escalas más pequeñas que las galaxias masivas y es un paso importante hacia la comprensión de la verdadera naturaleza de la materia oscura. El artículo será publicado en el Diario astrofísico.

Figura 1. Fluctuaciones detectadas en la materia oscura. El color naranja más brillante indica áreas con alta densidad de materia oscura y el color naranja más oscuro indica áreas con baja densidad de materia oscura. Los colores blanco y azul representan objetos con lentes gravitacionales observados por ALMA. Fuente: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), KT Inoue et al.

los puntos principales

• Observación mediante uno de los interferómetros de ondas de radio más grandes del mundo ALMA, un proyecto internacional.
• La primera detección de fluctuaciones de materia oscura en el universo en escalas inferiores a 30 mil años luz.
• Un paso importante hacia el esclarecimiento de la verdadera naturaleza de la materia oscura.

ALMA detecta fluctuaciones a pequeña escala en la distribución de la materia oscura

Se cree que la materia oscura, la materia invisible que constituye gran parte de la masa del universo, jugó un papel importante en la formación de estructuras como estrellas y galaxias.^[2] Dado que la materia oscura no está distribuida uniformemente en el espacio sino en grupos, su gravedad puede alterar ligeramente la trayectoria de la luz (incluidas las ondas de radio) procedente de fuentes de luz distantes. Las observaciones de este efecto (lente gravitacional) han demostrado que la materia oscura está asociada con galaxias y cúmulos de galaxias relativamente masivos, pero aún no se sabe cómo se distribuye en escalas más pequeñas.

El equipo de investigación decidió utilizar ALMA para observar un objeto a 11 mil millones de años luz de la Tierra. El objeto es un cuásar con lente,^[3] MG J0414+0534^[4] (en adelante denominado «este quásar»).

Este cuásar parece tener una imagen de cuadrilátero debido al efecto de lente gravitacional de la galaxia en primer plano. Sin embargo, las posiciones y formas de estas imágenes aparentes difieren de las calculadas únicamente a partir del efecto de lente gravitacional de la galaxia en primer plano, lo que sugiere que está en juego el efecto de lente gravitacional de la distribución de la materia oscura en escalas más pequeñas que las galaxias masivas.

Figura 2: Diagrama conceptual del sistema de lentes gravitacionales MG J0414+0534. El objeto en el centro de la imagen indica una galaxia lenticular. El naranja muestra materia oscura en el espacio intergaláctico y el amarillo pálido indica materia oscura en una galaxia lenticular. Crédito: NAOJ, KT Inoue

Se ha descubierto que existen fluctuaciones espaciales en la densidad de la materia oscura incluso en una escala de unos 30 mil años luz, que es mucho menor que la escala cósmica (varias decenas de miles de millones de años luz). Este resultado es consistente con la predicción teórica de la materia oscura fría, que predice que existen acumulaciones de materia oscura no solo dentro de las galaxias (amarillo pálido en la Figura 2), sino también en el espacio intergaláctico (naranja en la Figura 2).

Los efectos de lentes gravitacionales de los grupos de materia oscura encontrados en este estudio son tan pequeños que son extremadamente difíciles de detectar por sí solos. Sin embargo, gracias al efecto de lente gravitacional causado por la galaxia en primer plano y la alta resolución de ALMA, pudimos detectar los efectos por primera vez. Por tanto, esta investigación es un paso importante para verificar la teoría de la materia oscura y aclarar su verdadera naturaleza.

Esta investigación se presenta en un artículo titulado “Medición ALMA de espectros de potencia de lente a 10 kpc hacia el cuásar lente MG J0414+0534” por KT Inoue et al. En el Diario astrofísico.

Notas

1. Materia oscura fría
   A medida que el universo se expande, la densidad de la materia disminuye, por lo que las partículas de materia oscura (materia invisible a la luz) ya no encontrarán otras partículas y tendrán un movimiento independiente diferente al movimiento de la materia ordinaria. En este caso, las partículas de materia oscura que se mueven a una velocidad mucho menor que la velocidad de la luz en relación con la materia ordinaria se denominan materia oscura fría. Debido a su baja velocidad, no tienen la capacidad de borrar estructuras de gran escala en el universo.
2. Formación de estructura en el universo.
   En el universo primitivo, se cree que las estrellas y galaxias se formaron como resultado del crecimiento gravitacional de las fluctuaciones de densidad de la materia oscura y de la acumulación de hidrógeno y helio atraídos por grupos de materia oscura. Aún se desconoce la distribución de la materia oscura en escalas más pequeñas que las galaxias masivas.
3. Quásar
   Un cuásar es la región central y compacta de una galaxia que emite luz extremadamente brillante. La zona combinada y sus alrededores contienen una gran cantidad de polvo que emite ondas de radio.
4. MG J0414+0534
   MG J0414+0534 está ubicado en la dirección de la constelación de Tauro vista desde la Tierra. El corrimiento al rojo (aumento en la longitud de onda de la luz dividido por la longitud de onda original) de este objeto es z=2,639. Se supone que la distancia correspondiente es de 11 mil millones de años luz, teniendo en cuenta la incertidumbre en los parámetros cosmológicos.

Referencia: “Medición de ALMA de los espectros de fuerza de lente a 10 kpc hacia el cuásar con lente MG J0414+0534” por Kaiki Taro Inoue, Takeo Minezaki, Satoki Matsushita y Koichiro Nakanishi, 7 de septiembre de 2023. Diario astrofísico.
doi: 10.3847/1538-4357/aceb5f

Este trabajo fue apoyado por una Subvención para la Investigación Científica de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (No. 17H02868, 19K03937), el Proyecto Conjunto de Investigación Científica ALMA 2018-07A del Observatorio Astronómico Nacional de Japón, el mismo que el Fondo de Investigación ALMA JAPÓN NAOJ-ALMA-256 y Taiwán MoST 103-2112-M-001-032-MY3, 106-2112-M-001-011, 107-2119-M-001-020, 107-2119- M-001-020.