Determinar la naturaleza de la materia oscura es uno de los problemas más importantes de la cosmología actual. Caracterizar sus propiedades tiene consecuencias directas en nuestra comprensión del Universo. Entre las diversas estructuras afectadas por la materia oscura se encuentran los halos estelares de las galaxias y sus subhalos.

Un halo es una región extensa y esférica alrededor de una galaxia compuesta principalmente por estrellas antiguas y materia oscura. Un subhalo es una estructura más pequeña dentro del halo estelar que también contiene materia oscura. Cuando un subhalo se mueve a través del halo estelar de una galaxia anfitriona, interactúa gravitacionalmente con las estrellas en el halo, causando un fenómeno conocido como fricción dinámica. Este concepto, introducido por primera vez por Chandrasekhar en 1943, describe cómo la gravedad del subhalo afecta las estrellas cercanas, ralentizándolo y generando perturbaciones en la distribución de las estrellas.

Un equipo de investigación en el que participan investigadores de diversas instituciones, incluido el Observatorio Astronómico de Córdoba, ha logrado un avance significativo al estimar la masa para el subhalo de materia oscura de la Nube Mayor de Magallanes, cerca de nuestra galaxia, la Vía Láctea. Este estudio se centró en el efecto del halo de materia oscura de las Nubes de Magallanes en la distribución en el espacio de  las fases (coordenadas y velocidades) de las estrellas del halo de nuestra galaxia. Este método, propuesto anteriormente por Buschmann et al. utilizando simulaciones, se ha aplicado por primera vez con datos observacionales.

Keiko Fushimi, becaria posdoctoral de Conicet, con lugar de trabajo en la Facultad de Ciencias Astronómicas y geofísicas de La Plata y Mariano Domínguez, astrónomo del Observatorio Astronómico de Córdoba  e investigador de CONICET, explican cómo llevaron adelante el estudio. «Los datos que utilizamos fueron tomados por el satélite espacial GAIA de la Unión Europea, que recopila información muy precisa sobre la posición y movimientos propios de las estrellas, entre otros datos», señala Fushimi. «Antes del análisis, realizamos un filtrado de los mismos para quedarnos con objetos que son trazadores del halo de nuestra galaxia, como las estrellas gigantes K y RR Lyrae. Además, consideramos objetos dentro de los 30 a 100 kpc ( medida de distancia que se utiliza en astronomía)  del centro de nuestra galaxia para evitar la contaminación del bulbo y el disco galáctico.»

A partir de los datos del satélite, el equipo calculó la distancia a las estrellas, obteniendo así las coordenadas espaciales. Para algunas estrellas, el satélite Gaia no tenía medida su velocidad radial, por lo que se implementó un método de aprendizaje automático para poder estimarlas. Finalmente, obtuvieron un catálogo de estrellas con la información completa en 6D (3 coordenadas espaciales y 3 coordenadas de velocidad).

El modelo teórico utilizado propone que, en una población estelar en equilibrio, la distribución en el espacio de fases (coordenadas y velocidades) puede describirse mediante una distribución homogénea e independiente del tiempo. El potencial gravitacional de un subhalo de materia oscura que pasa por esa región induce una perturbación en esta distribución, es decir, modifica las coordenadas y velocidades 6D de las estrellas del halo. Se espera que se genere una concentración de estrellas que sigue al subhalo, conocida como estela o «wake». Además, se espera que las estrellas de la estela se muevan en promedio en la dirección de la órbita del subhalo.

Para calcular la masa del halo de materia oscura, el equipo analizó la perturbación generada en la distribución en el espacio de fases de las estrellas del halo. Esta perturbación depende de la masa del subhalo de materia oscura que está perturbando. Utilizando un análisis estadístico, ajustaron sus modelos para determinar qué masa del halo de materia oscura reproduce mejor las modificaciones observadas en el espacio de fases.

Los resultados fueron reveladores. «Con nuestro catálogo de estrellas trazadoras del halo galáctico, pudimos encontrar una región de sobredensidad, que asociamos al wake, alineada con la órbita pasada de las Nubes de Magallanes y su velocidad», comenta Domínguez. A partir del análisis estadístico, obtuvieron un valor de la masa para el subhalo de materia oscura de la Nube Mayor de Magallanes que concuerda con la literatura existente, donde se han utilizado métodos independientes para calcularla.

El equipo espera implementar este método para calcular masas de subhalos de materia oscura más pequeños, una predicción del modelo cosmológico actual. «Nos estamos preparando para la llegada de los datos del telescopio terrestre LSST, que nos dará información 6D de muchas más estrellas», concluye Fushimi.

Este estudio pionero no solo proporciona un nuevo método de cálculo de masas de subhalos que podrá ser utilizado para nuevas mediciones del cosmos, sino que también abre la puerta a futuras investigaciones sobre la materia oscura y sus efectos en la estructura del Universo.

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