¿Por qué estas extrañas galaxias carecen de materia oscura?

En el equivalente cósmico de un directo que te deja KO, dos galaxias colisionaron hace unos 8000 millones de años y se sacaron el gas a golpes.

Esa es la última explicación para un misterio cósmico que ha tenido a los astrónomos devanándose los sesos desde 2018: dos galaxias tenues e hinchadas que parecen estar completamente desprovistas de materia oscura. Las nuevas observaciones sugieren que esas galaxias podrían formar parte de una cadena de objetos igualmente extraños: los restos de la ruptura galáctica.

Estudios detallados de esas dos galaxias, llamadas DF2 y DF4, habían revelado previamente que están habitadas por extraños y luminosos cúmulos de estrellas. Pero los científicos se han esforzado por explicar cómo pudieron existir estas galaxias, ya que la materia oscura (que constituye más del 80% de la materia del universo) se considera un ingrediente esencial para la construcción de galaxias.

Una nueva teoría de un equipo dirigido por Pieter van Dokkum, de la Universidad de Yale, sugiere que el naufragio cósmico puede explicar estas rarezas espaciales, así como otras características del campo de escombros. "Durante la colisión, el gas se desprende y choca, y se convierte en un entorno caótico sin materia oscura que lo mantenga unido", dice van Dokkum. "Y entonces partes de esa gran nube de gas irregular pueden separarse del resto de la nube de gas y formar sus propias pequeñas galaxias".

El escenario que van Dokkum y sus colegas prevén requerirá la confirmación de futuras observaciones. Pero si es correcto, es una forma elegante de explicar cómo surgió una cadena tan extraña de galaxias. Y como se ha descrito recientemente en la revista Nature, esta colisión galáctica podría incluso ayudar a los científicos a entender algunas propiedades fundamentales de la propia materia oscura.

"Para mí tiene el anillo de la verdad", dice van Dokkum. "Es una explicación muy sencilla que es lo único que hasta ahora explica este amplio abanico de propiedades: que tengamos cúmulos globulares [de estrellas], dos galaxias idénticas que no tienen materia oscura... con este extraño rastro que ahora encontramos todo encaja".

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La materia invisible del universo

Normalmente, la mayor parte del peso de una galaxia procede de la materia oscura. A finales de la década de 1960, la astrónoma Vera Rubin conjeturó sobre ello cuando dedujo que algo masivo e invisible debía impedir que las estrellas de la periferia de la galaxia de Andrómeda salieran volando hacia el espacio. Sin ese pegamento gravitacional, esas estrellas se perderían, al igual que las estrellas de los bordes de otras muchas galaxias en rotación.

Medio siglo después del trabajo de Rubin, los astrónomos aún no han observado directamente la materia oscura. No emite ni refleja luz. No interactúa directamente con la materia ordinaria, aunque su gravedad afecta al comportamiento de objetos observables como las estrellas y las galaxias. Los científicos también creen que la materia oscura es necesaria para que las galaxias acumulen suficiente gas para empezar a engendrar estrellas.

Pero en 2018 van Dokkum descubrió una galaxia llamada NGC1052-DF2, o DF2 para abreviar, que parecía ser extremadamente deficiente en materia oscura. A unos 72 millones de años luz de distancia, cerca de una gran galaxia elíptica, DF2 era mayoritariamente oscura y difusa, salpicada por un inusual conjunto de cúmulos estelares masivos y extremadamente brillantes. Cuando van Dokkum y sus colegas calcularon la masa de la galaxia, se dieron cuenta de que DF2 contenía como mucho una pizca de materia oscura.

"El descubrimiento inicial fue realmente sorprendente, también para nosotros: no teníamos ninguna explicación para ese objeto", dice van Dokkum. "Así que teníamos este objeto que no podíamos explicar, pero luego pasamos a utilizarlo, básicamente, para hacer un montón de afirmaciones sobre temas importantes, y creo que esa combinación hizo que mucha gente se sentara y tomara nota, pero también fuera escéptica".

Desde entonces, van Dokkum y sus colegas han verificado muchas de las características observadas originalmente en la galaxia. "Tuvimos la suerte de acertar: no tenía por qué ser así", dice van Dokkum, riéndose. Y en 2019, descubrieron otra galaxia en el mismo grupo, llamada DF4, que es casi idénticamente peculiar. También es tenue y difusa, aparentemente carente de materia oscura, y salpicada de extraños grupos de estrellas.

"Tienes dos galaxias que son únicas, por sí mismas. No hay ninguna otra galaxia en el universo que se parezca a ellas, excepto la otra", afirma van Dokkum.

Otro grupo de astrónomos ha detectado al menos otra galaxia que parece estar extrañamente baja en materia oscura, aunque la orientación de esa galaxia hace que sea más difícil de medir que DF2 y DF4.

Pero la verdadera pregunta es, ¿cómo diablos se formaron estas extrañas galaxias en primer lugar?

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Rebobinando el reloj astronómico

En 2019 y 2020 van Dokkum y sus colegas apuntaron el telescopio espacial Hubble a DF2 y DF4. Se dieron cuenta de que DF2 estaba mucho más lejos y que las dos galaxias funky se alejaban la una de la otra. Eso significa que si se reproducen los movimientos de esas galaxias en rebobinado, acabarían convergiendo en el mismo punto del espacio: el supuesto lugar de una antigua colisión a gran velocidad.

Cuando las dos galaxias originales colisionaron, sus fracciones de materia oscura siguieron avanzando por el espacio como si nada. Pero todo su gas acabó en un montón desordenado, caliente y de alta presión, el tipo exacto de entorno en el que pueden formarse grandes y masivos cúmulos de estrellas como los de DF2 y DF4.

Las simulaciones de este tipo de colisiones sugieren que el montón de gas inicial se rompió en pedazos y se dispersó durante miles de millones de años, dejando un rastro de galaxias tenues, esponjosas y de peso pluma. Y cuando van Dokkum y sus colegas echaron un vistazo a una imagen profunda del grupo NGC 1052, encontraron hasta 11 galaxias (incluyendo DF2 y DF4) en una fila.

"Teníamos estas observaciones desconcertantes, y de repente encajaron, y luego teníamos estas predicciones, como que se deberían ver más galaxias a lo largo de este eje, y entonces las vimos", dice van Dokkum.

Al final del camino hay dos galaxias que, según van Dokkum, podrían ser los restos ricos en materia oscura de las galaxias que colisionaron originalmente, pero confirmarlo será un reto porque las galaxias son muy débiles y difíciles de observar en detalle.

Desenredando las pistas en el cielo

Aunque siguen existiendo dudas sobre este posible amontonamiento galáctico, algunos científicos creen que es una explicación plausible de cómo se formaron y crecieron esas galaxias carentes de materia oscura.

"Es atractiva por varias razones", dice Mike Boylan-Kolchin, de la Universidad de Texas en Austin, que estudia la materia oscura y la formación de galaxias. "La mayor es que explica varios aspectos del sistema simultáneamente".

Si la hipótesis es correcta, añade Boylan-Kolchin, ayuda a los astrónomos a entender mejor lo "pegajosa" que es la materia oscura: si se ignora a sí misma como ignora a la materia ordinaria, o si hay cierto grado de auto interacción. Y, dice, una consecuencia particularmente agradable de la colisión galáctica es que explica los extraños cúmulos de estrellas en DF2 y DF4.

"Uno de los grandes rompecabezas de estos sistemas es que parecen tener estos cúmulos estelares excesivamente masivos, y ¿por qué debería ser así?" dice Boylan-Kolchin. "Esta colisión galaxia-galaxia realmente da el mecanismo para producir el conjunto extra de cúmulos más masivos".

Otros astrónomos, sin embargo, aún no están tan convencidos.

"En cierto modo, es el comienzo de un gran misterio", dice Michelle Collins, de la Universidad de Surrey (Reino Unido), que estudia la formación de galaxias. Dice que el escenario es extremadamente especulativo en este momento, y no sabemos si las galaxias progenitoras propuestas contenían suficiente masa para producir lo que van Dokkum y sus colegas están observando.

Conocer las distancias de las 11 galaxias que componen el supuesto rastro de escombros también es crucial para comprobar si forman parte del mismo sistema o si están alineadas por casualidad de una manera que simplemente hace que parezcan relacionadas, de la misma manera que las estrellas a distancias muy diferentes de la Tierra pueden parecer cercanas en las constelaciones.

"No hay suficientes datos para descartar que estas galaxias no sean una constelación que estemos viendo", dice. "Es tentador atribuir un significado a los patrones".

Confirmar la teoría de la colisión llevará tiempo, pero van Dokkum dice que tiene predicciones comprobables. Por ejemplo, está deseando estudiar los cúmulos estelares de DF4 y comparar sus edades con las de DF2. Si esas edades coinciden, eso sugeriría que las dos galaxias comparten una historia de origen.

También va a apuntar el Hubble a otros presuntos miembros del rastro de escombros para ver si tienen los mismos cúmulos estelares extraños, así como para medir su movimiento y distancias para determinar si de hecho son parte de la misma estructura. 

Si él y el equipo tienen suerte, podrían incluso observar de cerca las dos débiles galaxias situadas en ambos extremos del rastro e intentar averiguar si son los restos de las galaxias originales dominados por la materia oscura. Pero ese es un proyecto que quizá tenga que esperar a la próxima generación de telescopios terrestres, o al telescopio espacial James Webb de la NASA.

"Sería increíble", afirma van Dokkum. "Medir esas galaxias sería el santo grial de este sistema".