Buscando materia oscura ultraligera en curvas de rotación de galaxias enanas

Imagen de la galaxia WLM. Los estudios dinámicos revelan que presenta un núcleo de gran tamaño en su distribución. Sin embargo, esta estructura es inconsistente con predicciones de materia oscura con naturaleza ondulatoria.
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La materia oscura es una sustancia invisible que forma más de un ochenta por ciento de la materia del universo. Sabemos de su existencia debido a su influencia gravitatoria, siendo un elemento clave para entender desde la evolución a gran escala del universo a la formación de galaxias como la Vía Láctea, de la que formamos parte. 

Sin embargo, a día de hoy entendemos muy poco sobre su naturaleza, representando uno de los mayores enigmas de la física contemporánea. El modelo de materia oscura ultraligera ha sido estudiado recientemente como un candidato prometedor. En este modelo se postula que la materia oscura está compuesta por unas partículas llamadas axiones, que debido a su muy baja masa se comportan como ondas, de una forma similar a los fotones con la luz, pero a escalas mucho más grandes, con longitudes de onda en escalas galácticas de miles de años luz. 

Una característica peculiar de estas partículas es que, debido a su naturaleza ondulatoria, la formación de estructura galáctica por debajo de una escala determinada por la longitud de onda es suprimida, lo que impide la formación de galaxias satélite de baja masa en el Grupo Local. Otra característica es que estas partículas tienden a aglutinarse en los centros galácticos formando regiones de densidad constante llamadas núcleos (o cores en inglés). Estas dos características se consideran prometedoras debido a tensiones previas con el modelo existente de materia oscura fría (cold dark matter) que predice un exceso de galaxias satélite y centros galácticos más densos y pronunciados al comparar con observaciones. 

Para testar el modelo, hemos analizado las curvas de rotación de unas galaxias aisladas de baja masa y con datos de muy alta calidad del catálogo LITTLE THINGS. Las curvas de rotación son trazadores del potencial gravitatorio de la galaxia y permiten, por tanto, estudiar la distribución espacial de su contenido de materia oscura. Durante nuestro análisis hemos comprobado que el modelo de axiones ultraligeros reproduce los datos de forma excelente. Sin embargo, las distribuciones de materia oscura resultantes presentan grandes inconsistencias con la estructura predicha por el modelo, como la relación entre la masa y tamaño de sus núcleos. Otra inconsistencia significativa que encontramos es que, para las masas axiónicas necesarias para reproducir los datos, hay una supresión de la formación de estructura en el Grupo Local que no podría explicar la existencia de galaxias enanas como las que hemos estudiado.

Podemos concluir que nuestro análisis desfavorece la viabilidad de este modelo y que, aunque aún no se sabe cuál será el candidato ganador que explique la naturaleza de esta sustancia, estudios como este establecen límites fundamentales en cuanto a sus propiedades y por tanto sirven para esclarecer aquello que no es.