Un débil río de estrellas revela la materia oscura oculta en el universo

Durante miles de millones de años, un antiguo cúmulo de estrellas se desintegró lentamente, desprendiendo estrellas que ahora forman un débil y estrecho río a través del espacio. Esta delicada estructura brinda a los astrónomos una nueva forma de investigar uno de los mayores misterios del universo: la materia oscura.

Un equipo internacional de investigación, que incluyó a un astrofísico de Northwestern University, identificó el primer río estelar de este tipo jamás observado fuera de la Vía Láctea. Los astrónomos habían predicho desde hace tiempo que tales ríos deberían existir alrededor de otras galaxias, pero su extrema debilidad había dificultado su detección.

El recién descubierto río también proporciona a los científicos una herramienta inusual para estudiar la materia oscura, que sigue siendo una de las principales preguntas sin respuesta en astrofísica. Al analizar la forma del río, los investigadores reconstruyeron el campo gravitacional de la galaxia anfitriona y utilizaron esa información para determinar cómo la materia oscura no visible influyó en las trayectorias de las estrellas.

Los hallazgos podrían ayudar a los científicos a investigar cómo se distribuye la materia oscura en muchas galaxias diferentes y a lo largo del universo. El estudio fue publicado el 12 de agosto en la revista Nature.

"Las estrellas en un río estelar viajan casi todas a lo largo de la misma órbita, y esa órbita está moldeada por la gravedad de la galaxia", comentó Tjitske Starkenburg, coautora del estudio. "Al modelar esa gravedad, podemos estimar la masa total de la galaxia. Ya sabemos aproximadamente cuánto de esa masa proviene de materia visible como estrellas, por lo que el resto debe ser materia oscura".

Starkenburg, experta en astronomía extragaláctica, es profesora asistente de investigación en el Centro de Exploración Interdisciplinaria e Investigación en Astrofísica de Northwestern University. El estudio fue co-liderado por Julie Kiel Holm de la Universidad de Copenhague y Sarah Pearson de la Universidad Técnica de Dinamarca.

Primer río estelar encontrado más allá de la Vía Láctea

Los cúmulos globulares son grupos densamente empaquetados de estrellas mantenidos unidos por la gravedad. A medida que uno de estos cúmulos orbita su galaxia anfitriona, la atracción gravitacional de la galaxia puede ir despojando lentamente estrellas de él.

Esas estrellas no simplemente se dispersan en todas direcciones. En cambio, tienden a continuar a lo largo de una trayectoria orbital casi idéntica, creando largos y delgados ríos estelares que retienen información sobre las fuerzas gravitacionales que han experimentado.

Los astrónomos han identificado docenas de ríos producidos por cúmulos globulares dentro de la Vía Láctea. Sin embargo, hasta ahora, no se había detectado un río comparable en otra galaxia. Estas estructuras suelen ser tan tenues que desaparecen ante la luz de sus galaxias anfitrionas.

El avance se logró gracias a observaciones archivadas del Telescopio Espacial Hubble, presentadas por los coautores del estudio David Sand y Catherine Fielder, ambos astrónomos de la Universidad de Arizona. Mientras examinaba imágenes de la galaxia ultra-difusa UGC 9050-Dw1, el coautor David Hendel notó un arco tenue y estrecho que parecía un río estelar.

UGC 9050-Dw1 se encuentra a aproximadamente 115 millones de años luz de la Tierra. Dado que la galaxia contiene relativamente pocas estrellas, proporcionó un fondo inusualmente oscuro que facilitó la distinción del tenue río.

Una nueva forma de medir la materia oscura

La importancia del descubrimiento va más allá de encontrar el río en sí. Los investigadores han demostrado por primera vez que un río estelar de cúmulo globular puede utilizarse para investigar la materia oscura en una galaxia más allá de la Vía Láctea.

La materia oscura representa aproximadamente el 85% de toda la materia en el universo. Como no emite ni refleja luz, los astrónomos no pueden verla directamente. En cambio, detectan sus efectos a través de la influencia gravitacional que ejerce sobre estrellas, galaxias y otros objetos visibles.

Una vez identificado el río, el equipo realizó miles de simulaciones por computadora. Los investigadores probaron diferentes combinaciones de características del cúmulo globular y posibles distribuciones de materia oscura para determinar qué escenarios podrían reproducir la apariencia observada del río.

Los modelos que más se acercaron a las observaciones proporcionaron nuevas estimaciones de la masa total de UGC 9050-Dw1 y mostraron cómo se distribuye esa masa en toda la galaxia. Los resultados indicaron que UGC 9050-Dw1 contiene una gran cantidad de materia oscura, como los astrónomos habían esperado para una galaxia ultra-difusa.

"Nuestros resultados son consistentes con estudios previos y lo que han demostrado sobre la materia oscura en esta galaxia ultra-difusa", afirmó Kiel Holm. "Estamos midiendo esto con una herramienta completamente nueva para este tipo de galaxia, demostrando que este método también funciona más allá de nuestra propia galaxia".

Los ríos estelares podrían exponer la estructura de la materia oscura

Aunque el análisis actual se centra en solo una galaxia, el hallazgo podría llevar a la búsqueda de ríos estelares similares alrededor de muchos tipos diferentes de galaxias. Con una muestra más grande, los astrónomos podrían aprender mucho más sobre cómo se comporta la materia oscura y cómo se distribuye.

Los ríos estelares delgados podrían ser especialmente valiosos porque pequeñas concentraciones de materia oscura pueden potencialmente perturbarlos, produciendo huecos o agrupaciones visibles.

"Los ríos estelares delgados pueden desarrollar huecos o agrupaciones cuando pequeñas concentraciones de materia oscura pasan a través de ellos", indicó Starkenburg. "Los astrónomos han debatido durante mucho tiempo si hemos visto esto en los ríos dentro de la Vía Láctea. Si podemos confirmar que eso es lo que está causando estas características, nos dará una forma completamente nueva de probar cómo se distribuye la materia oscura y, en última instancia, aprender más sobre su naturaleza fundamental".

Nuevos telescopios podrían encontrar muchos más ríos

Futuros observatorios podrían facilitar la localización de estas elusivas estructuras. La misión Euclid de la Agencia Espacial Europea y el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA están diseñados para explorar regiones del cielo mucho más grandes que el Hubble, aumentando la probabilidad de que los astrónomos detecten ríos estelares alrededor de galaxias adicionales.

"Es emocionante que hayamos descubierto un río estelar delgado alrededor de una galaxia que no es la nuestra con datos ya existentes del Telescopio Espacial Hubble y lo hayamos confirmado con datos de telescopios terrestres", expresó Starkenburg. "Eso lo hace muy prometedor para los nuevos telescopios que estarán disponibles, incluido el Telescopio Espacial Roman, que puede ver un área 100 veces mayor que la del Hubble".

El estudio, "Evidencia del primer río estelar de cúmulo globular más allá de la Vía Láctea", fue apoyado por VILLUM FONDEN (número de premio VIL53081) y la Unión Europea (número de premio BeyondSTREAMS 101115754). Starkenburg también agradece el apoyo de la NSF (número de subvención AST-2510183) y la NASA (números de subvención 22-ROMAN22-0055 y 22-ROMAN22-0013).