martes, 13 de julio de 2010

¿Cuál es el asunto con las galaxias enanas?

Las galaxias enanas son las galaxias más numerosos en nuestro Universo y nuestra Vía Láctea está rodeada de docenas de ellas. A pesar de su nombre, las más grandes de las galaxias enanas contienen cientos de millones de estrellas y grandes cantidades de gas, mientras que las más pequeñas están compuestas por sólo unos cientos de estrellas, principalmente antiguas y apenas pueden ser reconocidas como galaxias. Una característica común es que el componente principal de su masa parece provenir de la materia oscura, pero su fracción exacta no está clara. Los científicos del Instituto Max Planck para Astrofísica en Garching han realizado nuevas simulaciones por computadora para la formación y evolución de las galaxias enanas, que cuestionan los supuestos actuales.

Figura 1: Este gráfico compara la relación predicha entre la masa estelar y la masa del halo (curva en negro) y las simulaciones de galaxias enanas individuales (símbolos coloreados). El área gris muestra la incertidumbre máxima de las observaciones. Los resultados de las nuevas simulaciones aparecen como cuadrados rojos, otros símbolos muestran los resultados de estudios anteriores.

La materia visible -estrellas, planetas y el gas interestelar- sólo representa alrededor del cinco por ciento del contenido de materia en el Universo. Todo lo que queda es invisible: unas tres cuartas partes de la energía oscura y poco menos de un cuarto de la Materia Oscura, identificado sólo por su atracción gravitatoria. La detección directa de materia oscura está aún pendiente, sus propiedades, sin embargo, son cruciales para la formación de la estructura en el Universo. Ellos predicen cómo los halos de materia oscura se forman -las galaxias evoluconan dentro de estos halos de materia oscura- y cómo se distribuyen en el Universo. El proceso de formación de estructuras cósmicas se ha estudiado en el MPA con las simulaciones Millennium con una precisión sin precedentes.

Una comparación de este tipo de simulaciones con las observaciones de un gran número de galaxias da a los científicos pistas acerca de cómo la formación de galaxias y los halos están vinculados. Suponiendo que las grandes galaxias se forman en las grandes halos, se puede deducir una relación estadística entre la materia visible e invisible en las galaxias con masas diferentes. Para comprender la evolución de las galaxias individuales en detalle, son necesarias simulaciones con resolución mucho más alta, donde la materia visible y oscura pueden interactuar directamente. Además de la gravitación, otros muchos procesos físicos se deben tener en cuenta, tales como la hidrodinámica del gas, la evolución térmica del medio interestelar e intergaláctico, la formación estelar y la evolución y los efectos de la radiación UV cósmica.

En su trabajo publicado ahora, Till Sawala y sus co-autores seleccionaron seis halos de materia oscura con diferente historia de formación de la simulación Millenium-II y llevaron a cabo nuevas simulaciones con 100 veces mayor resolución. Los seis halos crecieron a una masa de unos 100 mil millones de masas solares, lo que corresponde a galaxias de alrededor de un millón de masas solares en las estrellas, según la relación estadística. Las simulaciones detalladas sin embargo entregaron masas de estrellas entre 50 y 100 millones de masas solares, varios órdenes de magnitud más que la cantidad prevista.

Figura 2: Una rebanada a través de la Simulación Milenio-II (arriba) y a través de la resimulation (abajo), centrada en el halo de una galaxia enana. Su ubicación y la masa son idénticas entre las dos simulaciones. La mayor resolución de la resimulation en comparación con la simulación madre también revela una estructura adicional.

Estos resultados coinciden de hecho con anteriores simulaciones similares de galaxias enanas individuales. La selección representativa de los halos permitió al equipo de Sawala mostrar ahora que la masa mucho más grande en las estrellas no se debe a las peculiaridades de las galaxias simuladas. Lo realizado de hecho representa un desacuerdo entre las actuales simulaciones y las observaciones.

"Tres explicaciones podrían resolver esta discrepancia", comenta Till Sawala. "El cuadro de observación podría ser incompleto, lo que significaría que hay muchas más galaxias enanas de lo que creemos en este momento. Por otra parte, la abundancia de halos de materia oscura podría ser diferente de las predicciones del modelo estándar de la llamada materia oscura fría. Si tanto el número de galaxias enanas como el modelo de materia oscura fría son correctos, entonces tendríamos que concluir que todas las simulaciones predicen en exceso las tasas reales de formación de estrellas en las galaxias enanas en al menos un factor de 10. "

Las tres soluciones posibles tendrían consecuencias de largo alcance: "Creemos que el conteo observacional actual de las galaxias es lo suficientemente completo y que tenemos una comprensión bastante buena del resto incompleto", explica el coautor Qi Guo de la Universidad de Durham. "Una diferencia en un factor de cuatro afectaría también a otros modelos, que se basan en estos resultados."

Para probar la segunda hipótesis, es decir, una alternativa al modelo establecido de materia oscura fría, los autores comparan la distribución de halos con las simulaciones de materia oscura caliente. Dado que en este modelo se forman menos estructuras a pequeña escala, parece traer una abundancia de galaxias simuladas de acuerdo con las observaciones. El profesor Simon White, sin embargo, se muestra escéptico: "Este modelo está en conflicto con otras observaciones que hacen que esta explicación sea muy poco probable."

Si tanto el conteo observado de las galaxias enanas es completo, como la distribución de la materia oscura siguen las predicciones, la opción restante para las simulaciones es estar equivocada acerca de la eficiencia con que se forman las estrellas. Puesto que todas las simulaciones actuales llegan a resultados similares con métodos ligeramente diferentes, esto no parece ser debido a un error numérico. Una explicación más probable es que algún proceso importante, responsable de la inhibición de la formación estelar en galaxias reales, hasta ahora ha estado ausente de las simulaciones.

"Sólo una cosa es cierta: Las observaciones actuales de galaxias enanas, las hipótesis de cómo rellenar los halos de materia oscura, y las simulaciones actuales de formación de galaxias no pueden ser correctas al mismo tiempo", resume Till Sawala. Los autores están de acuerdo: "El estudio de la evolución galáctica continuará sorprendiéndonos por algún tiempo todavía".



Fuente:
What is the matter with dwarf galaxies? Por Till Sawala, MPA.

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