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del Sitio Web NewScientist
traducción de
Adela Kaufmann
Doble Problema: cuando las galaxias colisionan
La balística de metralla galáctica demuestra que la Vía Láctea ya ha colisionado con su vecina gigante, Andrómeda - pero si eso es correcto, la ciencia física está equivocada.
El final de la Vía Láctea ya está programado, y será marcada con luces en el cielo.
Algunos 4 mil millones de años, los cielos nocturnos estarán iluminados por el resplandor de cientos de miles de millones de estrellas a medida que la cercana galaxia de Andrómeda se apoya sobre nosotros. Los dos gigantes celestes se convertirán en uno y las estrellas, los planetas y las nubes de gas serán lanzadas al espacio intergaláctico por titánicas fuerzas gravitacionales.
Las estrellas y planetas sobrevivientes se asentaron en una confusa nube confusa encendida con nuevas estrellas - flotando en un tiempo futuro no en la Vía Láctea, ni Andrómeda, sino en una monstruosa galaxia, "Lactómeda".
Es una imagen bien establecida del catastrófico futuro de nuestra galaxia. Más controversialmente, también podría ser una visión de su pasado.
Las observaciones indican que los restos eviscerados de un encuentro pasado entre dos gigantes celestes rodean el vecindario de nuestra galaxia. Alineaciones prohibidas de galaxias satélites, cúmulos globulares y corrientes de estrellas arrastrándose en nuestra estela galáctica despiertan todo indicio de que nuestra historia cósmica local necesita una reescritura.
Y no sólo eso:
Al igual que muchos grandes problemas, éste comenzó siendo pequeño:
En 2012, el astrónomo Marcel Pawlowski,que en ese entonces estaba en la Universidad de Bonn en Alemania, lo denominó "la vasta estructura polar" (El VPOS - Una Vasta y Extensa Estructura Polar de Galaxias Satélite, Cúmulos Globulares y Corrientes alrededor de la Vía Láctea - The VPOS - A Vast Polar Structure of Satellite Galaxies, Globular Clusters and Streams around the Milky Way).
Esto fue por la forma en que los enanos se alinean en un anillo que rodea la galaxia en ángulos rectos con el disco principal de estrellas, que contiene nuestro sol y todo lo demás. Pero él no fue en absoluto el primero en verlo.
Este fue Donald Lyndon-Bell de la Universidad de Cambridge, que en 1976 señaló que las galaxias satélites que rodean la Vía Láctea no se dispersan al azar, sino que como si algo las ha acorralado en una alineación distinta.
Lo que lo hizo impopular fue el aumento de la materia oscura.
La materia oscura convirtió en un fijo en la década de 1970 para explicar una discrepancia evidente entre nuestros modelos cosmológicos estándar, basada en la imagen de la gravedad tomada por Newton y Einstein, y observaciones de la realidad.
Cuando los astrónomos midieron la velocidad a la que las galaxias distantes rotaban, encontraron que estos cuerpos celestes estaban dando vueltas tan rápido que volarían en pedazos si estuvieran basadas sólo en la gravedad de la materia visible para mantenerlos juntos.
Esta frenética rotación podría explicarse si hubiera más a las galaxias de lo que se podía ver - si la mayor parte de su materia no estaba hecha de átomos convencionales, sino de partículas que no interactúan con la luz y por lo tanto eran invisibles.
Las ideas encajadas sobre la materia oscura flotante de los físicos que estudiaban los bulliciosos primeros años del universo, antes de estrellas y galaxias. En este abrasador ambiente, una panoplia de nuevas partículas habría surgido para cargar fuerzas y energía.
A medida que el universo se expandió y su temperatura bajó, estas partículas habrían perdido su potencia convirtiéndose en una inerte e invisible sopa.
Formando Halos
Nadie ha detectado alguna vez o fabricado tanto como una sola partícula de materia oscura, y sin embargo, su popularidad ha crecido y crecido.
Nuestro modelo estándar actual de cosmología compensa la materia normal por cinco a uno. Existente en tales cantidades, la materia oscura no sólo explica la rotación galáctica, sino que también parece ser sólo la cosa para permitir que las galaxias como la Vía Láctea se formen.
Pequeñas irregularidades en la densidad inicial de la materia oscura causan bolsillos de materia, sin obstáculos por las interacciones con cualquier otra cosa, para empezar a colapsar bajo su propio peso.
Estos tirones de materia normal, que colapsa hacia abajo en discos planos, discos giratorios de materia - galaxias.
Las simulaciones de esto reproducen perfectamente la forma observada de las galaxias como la Vía Láctea.
Los puntos calientes y fríos que vemos en el fondo cósmico de microondas, luz enviada saltando alrededor del cosmos, cuando tenía apenas 380,000 mil años, son interpretadas como una indicación de las semillas de este proceso.
Y así creemos que las galaxias de hoy están rodeadas de un extraordinario "halo" de materia oscura que genera gravedad y mantiene todo junto.
Esas mismas simulaciones muestran cómo, al colapsar la materia oscura para formar un halo de galaxias, partes del mismo se fragmentan, atrapando la materia normal que cae normal y dando lugar a una población de galaxias enanas esparcidas al azar alrededor de la galaxia madre más grande.
Así que es un poco un problema el que los satélites enanos de la Vía Láctea no están de ninguna manera dispersos al azar.
El enorme éxito del modelo de materia oscura significaba que la mayoría de los astrónomos se conformaron con hacer la vista gorda a esta pequeña vergüenza: la idea era que simplemente aún no habíamos visto a todos los enanos que acompañan a la Vía Láctea.
Pero en 2005, Pavel Kroupa, también en la Universidad de Bonn, volvió a analizar los datos de la galaxia satélite y confirmó la llamativa falta de coincidencia con la teoría de la materia oscura.
Pawlowski, estudiante de doctorado de Kroupa, entonces, fue más allá.
Estudió la alineación de otros objetos en el halo de la Vía Láctea - colecciones esféricas de estrellas mucho más pequeñas que las galaxias enanas conocidas como cúmulos globulares, y largos y tenues senderos de estrellas que se cree que se forman cuando las galaxias enanas se separan.
Los encontró ordenados igual que las galaxias enanas.
Para explicarlo todo, Pawlowski canaliza la sugerencia original de Lyndon-Bell de que podrían ser los restos de una colisión intergaláctica y miró para ver lo que podrían ser las consecuencias de tal colisión. Él investigó si las galaxias enanas de hecho podrían formarse de la materia dejada atrás cuando dos galaxias interactúan.
Los astrónomos vieron un buen número de esos bailes galácticos en todo el universo expulsando grandes colas de estrellas y gas en el espacio.
Las simulaciones de Pawlowski confirmaron que las galaxias enanas de la Vía Láctea podrían de hecho formarse en sus posiciones observadas después de tal encuentro (imagen de arriba).
Pero, ¿qué fue lo que bailó con nosotros?
No había ningún candidato obvio hasta 2013, cuando Rodrigo Ibata del Observatorio de Estrasburgo en Francia y sus colegas publicaron sus observaciones (Un Vaso y Delgado Plano de Galaxias Enanas co-rotando Orbitando la Galaxia de Andrómeda - A Vast Thin Plane of Co-rotating Dwarf Galaxies Orbiting the Andromeda Galaxy) que mostraba una estructura polar similar de galaxias enanas existente alrededor de Andrómeda, nuestro vecino galáctico más cercano, a unos 2,5 millones de años luz de distancia.
Los enanos por encima del plano de Andrómeda se están alejando de nosotros, mientras que en la parte inferior se dirigen hacia nosotros –existe evidencia convincente de que el disco no es un alineamiento casual, sino una estructura giratoria coherente.
El disco satélite de Andrómeda también está girando en el mismo sentido que la nuestra, y apuntando a la Vía Láctea, aunque con una ligera desalineación de unos 35 grados con respecto a la estructura polar de nuestra galaxia.
Todo es exactamente lo que cabría esperar si las dos galaxias hubieran interactuado en el pasado.
La fusión de lo sublime: ¿podemos hacer un modelo de las colisiones galácticas? Tatiana Plakhova
Excepto que no podrían haberlo hecho...
Incluso contando sus presuntos halos de materia oscura, Andrómeda y la Vía Láctea simplemente no tienen suficiente masa, y por lo tanto tampoco esta gravedad mutua, para haberlas empujado a una colisión en el tiempo disponible desde el big bang.
Por lo que es un punto muerto. A menos, es decir, que algo esté pasando con la gravedad. Las teorías de Einstein y Newton asumen que la gravedad es una fuerza cuya intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia entre dos objetos masivos. Esto, efectivamente, parece ser el caso en las escalas hasta la de nuestro sistema solar - la órbita de un cuerpo tan lejos como Plutón se ajusta a las expectativas.
Pero es una suposición que nunca hemos sido capaces de probar a escalas mayores.
La herética idea de que la fuerza de la gravedad no es igual en todas partes se propuso de nuevo en la década de 1980 como una alternativa a la materia oscura. Conocida como MOND para "modified Newtonian dynamics - dinámica newtoniana modificada", la idea fue lanzada por Mordechai Milgrom, entonces en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey.
Él encontró que la rotación de las galaxias podría ser casi perfectamente descrita si, en situaciones donde el campo gravitacional es relativamente débil, su fuerza no continuase disminuyendo con el cuadrado de la distancia, sino que aplanándose. En este tipo de entornos, por ejemplo, en los confines de las galaxias, la gravedad será más fuerte de lo esperado (imagen arriba).
En 2014, Hong Sheng Zhao de la Universidad de St. Andrews, Reino Unido, trabajando con Kroupa y otros, mostró que un cambio tan sutil permitió una interacción entre la Vía Láctea y Andrómeda hace entre 7 y 11 millones de años.
Epifanía Superfluida
Pero MOND no es exactamente el sabor del mes entre los físicos.
A pesar de que la fuerza de la gravedad nunca ha sido probada en campos muy débiles, la idea de que una fuerza de la naturaleza deba cambiar su resistencia tan fácilmente es desagradable para la mayoría. Y MOND entra en problemas cuando las escalas son extremadamente grandes.
En las agrupaciones de muchas galaxias, la materia oscura sigue siendo necesaria para mantener todo unido. Y esos puntos calientes y fríos en el fondo cósmico de microondas son muy difíciles de explicar sin alguna forma de materia oscura asistiendo al colapso de la materia normal en las galaxias.
Todo esto dio a Pawlowski pausa para pensar, preguntándose si la idea de MOND en sí podría ser modificada no sólo para explicar una colisión pasada entre la Vía Láctea y Andrómeda, sino también para adaptarse a todas las demás observaciones.
Introduzcamos a Justin Khoury con la misma pregunta - y tal vez tengamos una respuesta.
Siendo físico teórico de la Universidad de Pensilvania en Filadelfia, Khoury durante mucho tiempo ha estado fascinado por el éxito de MOND en la descripción dinámica cósmica hasta la escala de las galaxias - y su fracaso con algo más grande.
Su respuesta:
La epifanía de Khoury implica un estado superfluido conocido como un condensado de Bose-Einstein, que entra en acción entre algunos tipos de átomos de materia normal, una vez que caen por debajo de una cierta temperatura.
En este estado, las partículas constituyentes empiezan a comportarse como una masa única, coherente que no tiene viscosidad y fluye sin impedimento.
Cuando la temperatura se eleva de nuevo, éstos saltan de nuevo a un estado normal de líquidos, viscosos.
Si las partículas de materia oscura podrían entrar en un estado de Bose-Einstein, razonó Khoury, eso sería lo justo para replicar MOND en ciertas escalas, y la materia oscura ordinaria sobre otras.
En los campos gravitacionales relativamente débiles de las galaxias, la materia oscura sería de movimientos lentos y tendría una temperatura efectiva baja. Caería en un estado de Bose-Einstein, cuya energía se extiende de manera uniforme en toda su extensión, curvando el espacio y creando una fuerza gravitatoria adicional similar a MOND.
Pero en campos gravitacionales más fuertes, como aquellos encontrados en los cúmulos de galaxias, la coherencia se rompería y el asunto se comportaría igual que la materia oscura ordinaria, aportando su propia minúscula fuerza de gravedad partícula por partícula.
Esto también explicaría por qué no vemos el comportamiento Mondiano en la escala de nuestro sistema solar.
Con nuestro sol, tenemos una muy fuerte fuente local de gravedad, por lo que el condensado se rompería en este nivel local. Lo mismo sería cierto para cada una de las estrellas de la Vía Láctea, que se comportaría como impurezas en el condensado.
Pero debido a que nuestra galaxia, al igual que todas las galaxias, es principalmente espacio vacío, el condensado general galáctico aún dominaría (Una alternativa a las Partículas de Materia Oscura - An Alternative to Particle Dark Matter).
Khoury no es el primero en sugerir que la dinámica de materia oscura, naturalmente, sería similar a los de un condensado de Bose-Einstein, pero él es el primero en sugerir que daría lugar a variaciones tipo-MOND en la gravedad, uniendo así los bits dos modelos que anteriormente se consideraban como implacablemente opuestos.
Para que este modelo híbrido funcione, sus cálculos sugieren que la propia materia oscura es un billón de veces más ligera de lo que los modelos actuales indican.
Un Fuerte Desajuste
Khoury está desarrollando actualmente modelos de computadora para ver cómo los halos superfluidos de materia oscura podrían afectar la forma en que se fusionan las galaxias, y así ver si hay alguna observación que podía hacer para poner a prueba la idea.
También está colaborando con un colega físico especialista en materia condensada de la Universidad de Pensilvania, Tom Lubensky, para ver si hay algún fluido atómico super-frío conocido para crear exactamente el efecto predicho.
Algunos hablan respecto a que la superfluida materia oscura modifica la gravedad como una inconveniente e inoportuna complicación - una gran perturbación para explicar el problema relativamente pequeño de las extrañamente alineadas galaxias enanas.
Ed Shaya de la Universidad de Maryland en College Park, por ejemplo, piensa que la falta de coincidencia entre las simulaciones y la realidad de las galaxias enanas se debe a una falta de potencia de cálculo, lo que limita la resolución de las simulaciones.
Él cree que todavía hay soluciones que invocan la física ordinaria y la materia oscura ordinaria.
La distancia entre la simulación y la realidad es fuerte por ahora.
La vasta estructura de polar en forma de anillo es cerca de 500,000 años luz de diámetro, sin embargo, no tiene más de 50,000 años luz de ancho. Aunque algunas simulaciones de formación de galaxias estándar pueden ser manipuladas para producir alineaciones similares, nunca se producen anillos de menos de un millón de años luz de ancho.
Para Pawlowski, este desajuste es un gran problema.
Nada de esto afectará a nuestro destino final, mientras serenamente avanzamos en espiral hacia el gigantesco espectáculo de luces al final de nuestra galaxia.
Pero, ¿esa exhibición de conmoción y pavor será una repetición? Quién sabe - y si tenemos que modificar nuestra idea de la gravedad y la materia oscura, no podemos calcular la próxima fecha en nuestras agendas con mucha certeza, tampoco.
Las luces artificiales podrían ir apagándose antes de lo esperado...
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