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Las cúspides de halos de materia obscura podrían no ser reales.

A mis ex-alumnos de Simulaciones.

Un amigo dice que donde mueren las palabras nace la música.
Podríamos decir que en Ciencia, donde muere el estudio analítico nace la simulación.

Con las computadoras, comenzaron las simulaciones numéricas. Podemos introducir las ecuaciones que describen el comportamiento de un sistema y ver qué le sucede bajo ciertas condiciones.
El problema de dos cuerpos, en el que dos masas interaccionan gravitacionalmente, tiene solución analítica, es decir, con lápiz y papel. El problema de tres cuerpos se resuelve analíticamente bajo ciertas condiciones, donde uno es del dominante y otro tiene masa despreciable frente a los otros dos. Ya, para resolver el de N cuerpos, el estudio analítico es imposible y hay que recurrir a la simulación. Se codifican las ecuaciones de movimiento de un cuerpo bajo la acción gravitatoria de los otros, y se hace evolucionar el sistema para ver su comportamiento.
Así pudimos confirmar la estabilidad del Sistema Solar, analizar el resultado de colisiones de galaxias y de formación de sistemas estelares.

Video: Star cluster simulation.

F.I. Pelupessy

Hoy en Día, se realizan simulaciones para probar la validez de teorías y modelos según representen lo que se observa. Luego, en caso favorable, se puede extrapolar y predecir el comportamiento del sistema en estudio.
En simulaciones numéricas, hay errores técnicos relacionados con el sistema que se usa para la emulación. Por un lado están los errores de truncamiento. Estos errores aparecen cuando utilizamos desarrollos en serie o aproximaciones de las expresiones algebraicas. Contra menos términos de la serie se consideren, o mayor sea la aproximación, mayor será el error aunque se ahorra tiempo de proceso.
Para reducirlo ese error, debemos tomar más cantidad de términos de los desarrollos en serie, lo que nos da mayor precisión aunque se agregue tiempo de cálculo, pero eso puede generar un error de redondeo. Eso se debe a las características de las variables del lenguaje de programación usadas para almacenar los datos.

Recordemos que la materia obscura no es observable y es la que mantiene gravitacionalmente unida a las estructuras galácticas. Sin ella, sus estrellas más alejadas escaparían y las galaxias se desmenuzarían.

En su juventud, el Universo mostraba una densidad de materia bastante uniforme con una intrincada red de imperfecciones y fluctuaciones en todas las escalas que originaban variaciones de densidad.
A gran escala, digamos a escalas cósmicas, la fluctuaciones son pequeñas y el problema de su evolución se puede resolver analíticamente. En Cosmología se lo conoce como régimen lineal.
A escalas menores, digamos a escalas galácticas, nos alejamos del régimen lineal y son necesarias las simulaciones ya que las fluctuaciones de densidad de materia son mayores. Teniendo en cuenta la acción gravitacional de la materia obscura, se llega a que aparecen halos de esta materia muy densos en su centro. Esa densidad disminuye hacia afuera con cierto ritmo, y luego de una determinada distancia, desciende con mayor rapidez.
A eso se lo llama cúspides de halos (o halos cúspides).
Según esto, todas las galaxias deberían mostrar grandes concentraciones de materia en su parte interior, donde los objetos masivos convergen luego de varias interacciones. Más afuera, se ubican los más livianos con la posibilidad de llegar a escapar.
Pero sucede que en las galaxias de baja masa, los objetos centrales muestran velocidades que corresponden a densidades centrales constantes.
Luego, las cúspides de halos podrían ser un efecto no real observado en las simulaciones producido por errores numéricos; más precisamente, en las aproximaciones de los algoritmos que describen la gravitación en el núcleo del halo, donde hay muchas partículas interactuando en una pequeña región.

Esta falla a pequeña escala no derriba la existencia de la materia obscura, la que permanece sin dudas a grandes escalas cósmicas.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Coherencia en movimientos de galaxias.

Las galaxias no están solas en el Universo.
Se agrupan en cúmulos de galaxias; la Nuestra pertenece al Gupo Local. A su vez, los cúmulos de galaxias se unen en supercúmulos de galaxias. Nuestro Grupo Local pertenece al Supercúmulo de Virgo que es un lóbulo de uno mayor conocido como Laniakea.

Las galaxias tienen un movimiento propio además de compartir el movimiento de grupo al que pertenecen. Éste, comparte el del supergrupo; recordemos que nada está quieto en el Universo.
Así es como las galaxias viajan y se afectan entre ellas gravitacionalmente; en mayor escala las más cercanas entre sí. De esta manera se encuentran en una danza donde, cada tanto, una se ve desgarrada o es asimilada por otra.

Pero se han observado galaxias muy distantes entre sí, que comparten un movimiento coherente, hasta sincrónico. La gran distancia entre ellas y la coherencia del movimiento, van más allá de la acción gravitacional mutua a distancia.

En el Universo hay estructuras a gran escala.
Se trata de materia ordinaria, mayormente Hidrógeno, y materia obscura. Forman filamentos (estructuras alargadas y delgadas), hojas (estructuras planas y delgadas) y muros (estructuras más gruesas que las hojas).
Las galaxias y cúmulos se encuentran dentro de esas estructuras. Como perlas hilvanadas en los filamentos y como adornos en una tela o pared.

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Simulación de estructuras galácticas a gran escala – crédito: ESO/Illustris Collaboration

Si bien no hay una explicación definitiva para este movimiento coherente de galaxias, todas las ideas involucran a las estructuras a gran escala.

Más aún. Ya se había detectado una llamativa alineación de los Cuasares (galaxias lejanas que aparecen como jóvenes, con agujeros negros supermasivos muy activos en su centro) en la dirección de los filamentos al que pertenecen (Llamativa alineación de los Cuasares | pdp, https://paolera.wordpress.com/2014/12/22/la-llamativa-alineacion-de-los-cuasares/).

eso1438a

Ilustración de la orientación de los ejes de rotación de los Cuasares según el filamento al que pertenecen. Los filamentos son dibujados en azul, los Cuasares son indicados con puntos amarillos y la orientación de sus ejes de rotación está dada por la inclinación de un pequeño segmento. – ESO.

O sea que, las galaxias tienen su eje de rotación a lo largo de la estructura a gran escala (La orientación de las Galaxias | pdp, https://paolera.wordpress.com/2015/03/19/la-orientacion-de-las-galaxias/). Incluso las galaxias enanas tienden a linearse alrededor de las grandes, y esto se da a pequeñas escalas. En nuestra Galaxia, en Andrómeda y en Centaurus A, se observan galaxias satélites enanas que se sincronizan en un plano orbital ordenado.

Video: A whirling plane of satellite galaxies around Centaurus A

Universität Basel

Si bien no son muchos casos para armar una estadística definitiva, estos tres casos permiten pensar que pueden haber más por descubrir.
Todo esto rompe con el orden aleatorio esperado según las últimas teoría de evolución de Universo.

Referencias:

Fuentes:

pdp.

Enorme galaxia del Universo temprano (otra más).

Es lógico pensar que las estructuras galácticas fueron apareciendo de a poco en el Universo.
Primero se habrían formado a escalas pequeñas y luego habrían colapsado formando estructuras mayores. Incluso, los agujeros negro supermasivos, se habrían formado por la unión de otros menores.
Pero las cosas parecen no ser así.
Los agujeros negros supermasivos no hubiesen tenido tiempo de formarse de la unión de menores en lo que va de la edad de Universo. Debieron haberse formado de golpe, del colapso brusco de gran cantidad de materia (El rápido nacimiento de los agujeros negros supermasivos | pdp, https://paolera.wordpress.com/2019/07/05/el-rapido-nacimiento-de-los-agujeros-negros-supermasivos/).
De la misma forma, si bien se han observado pequeñas galaxias en la juventud del Universo, también se han detectado grandes estructuras galácticas de aquellas épocas.
Entre ellas se destaca la colosal COSMOS AzTEC-1 a 13000 millones de años luz de nosotros.

Ilustración de COSMOS-AzREC-1 publicada en el sitio del observatorio ALMA.

Apenas 2000 millones de años del nacimiento del Universo, ese monstruo galáctico formaba estrellas 1000 veces más rápido que la Vía Láctea.

Ahora otra gran galaxia se suma a la lista.
Desde unos 12500 millones de años luz, nos llega energía en micro-ondas de una región compacta del espacio. Esa energía se origina en material recalentado por estrellas jóvenes y otras en formación. Se trata de una gran galaxia en proceso de gestación, generando estrellas 100 veces más rápido que la Nuestra, donde su aspecto se ve desfigurado y opacado por el polvo que aún la rodea.

Ilustración del posible aspecto  de la galaxia observada en micro-ondas en el Universo temprano, crédito: James Josephides/Christina Williams/Ivo Labbe

Se supone que hay más de estos monstruos ocultos en sus nubes de polvo y gas. Hoy en día, estas galaxias deben ser enormes estructuras galácticas maduras.

Si bien hacen falta más descubrimientos de este tipo de galaxias tempranas, todo parece sostener la teoría de que las estructuras en el Universo se dieron en todas las escalas al mismo tiempo (La evolución de la estructura del Universo | pdp, https://paolera.wordpress.com/2019/10/17/la-evolucion-de-la-estructura-del-universo-y-los-dedos-de-dios/).

Artículo dedicado a los Astrónomos argentinos profesionales y aficionados en su día.
24 de octubre, día de la Astronomía Argentina en recuerdo del primer observatorio del País creado en 1871 por entonces Presidente Domingo F. Sarmiento.

Referencia:

Fuente:

pdp.

DF2 y DF4 serían galaxias carentes de materia obscura (después de todo).

La materia obscura es la responsable de que las galaxias no vean desmenuzarse sus partes exteriores.
Las estrellas más alejadas del centro de sus galaxias, tienen velocidades que les permiten escapar de ellas. Sin embargo no lo hacen. Esto se debe a la presencia de materia obscura que las retiene gravitacionalmente. Esta materia no es observable y sólo se la detecta por efectos gravitacionales, de ahí su nombre.

Resultó que se observaron dos galaxias ultradifusas; NGC 1052-DF2 y NGC 1052-DF4 (o simplemente DF2 y DF4) que no tendrían materia obscura.

DF2

Imagen de DF2 crédito de Dokkum et al

De esta manera, sus estrellas más alejadas muestran velocidades que les permiten seguir vinculadas a sus galaxias.
Luego, se explicó este misterio a través de las distancias. Al parecer, estas galaxias estarían más cerca de lo pensado y bajo esas nuevas condiciones, las medidas de luminosidades y velocidades implican que tienen materia obscura como las otras galaxias (Se explicó la rareza de NGC 1052-DF2…, | pdp, https://paolera.wordpress.com/2019/06/04/se-explico-la-rareza-de-ngc-1052-df2-ahora-kks-2000-04/).

Un trabajo más reciente, muestra que las distancia a DF2 es de unos 60 millones de años luz, valor que coincide con la primer medida. Así, se desestima el valor de 40 millones de años luz que se adoptó como distancia más cercana. Luego, se confirman las distancias y luminosidades antes calculadas para DF2 y DF4, y de esta forma, también se confirman como galaxias desprovistas de materia obscura.

De ser esta situación, habría que explicar cómo es que estas galaxias no tienen materia obscura.
Por un lado, las galaxias pudieron tener una abundante y brusca producción estelar. La enorme presión de radiación pudo expulsar la materia obscura de estas galaxias (Ley de Gravitación Modificada o Materia Obscura… | pdp, https://paolera.wordpress.com/2018/09/10/ley-de-gravitacion-modificada-o-materia-obscura-las-galaxias-enanas-deciden/).
Por otro lado, en interacciones gravitatorias entre galaxias, suele haber pérdida de materia ordinaria al espacio intergaláctico. Las grandes galaxias elípticas como NGC 1052, son el resultado de fusión de galaxias, y en esos encuentros se puede dar pérdida de materia o eyecciones de material. Incluso, se puede dar puentes de materia entre galaxias que pasan cerca una de otra.
Esta gran cantidad de materia ordinaria expulsada, puede recolapsar y dar origen a galaxias enanas difusas sin materia obscura como las vecinas a NGC 1052.
En ambos casos, las estrellas más alejadas del centro de estas galaxias que hayan adquirido suficiente velocidad para escapar, simplemente lo hicieron.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

La evolución de la estructura del Universo y Los Dedos de Dios.

Sabemos de la estructura del Universo, pero debemos entender cómo evolucionó hasta tenerla.
Las estrellas y cúmulos de estrellas forman galaxias, como por ejemplo nuestra Vía Láctea. Las galaxias se reúnen en cúmulos de galaxias, como la Nuestra, Andrómeda y otras, que se encuentra en el grupo local. Los cúmulos se reúnen en supercúmulos, como nuestro grupo local y otros vecinos como el gran cúmulo de Virgo, que pertenecen al supercúmulo de Virgo que es una parte o “suburbio” del gran Laniakea (Laniakea, el cielo inconmensurable | pdp, https://paolera.wordpress.com/2014/09/05/laniakea-el-cielo-inconmensurable/).

Para estudiar la estructura del Universo, debemos medir la distancia y velocidad de las galaxias cada vez a mayores escalas. Recordando que a mayor distancia las galaxias se alejan con mayor velocidad (por la expansión Universal y la acción de la energía obscura), se obtuvo una llamativa estructura.

Se observan filamentos radiales hacia nosotros. Se los llamó Los Dedos de Dios.

dedosDeDios

En la imagen de la izquierda se observan Los Dedos de Dios como filamentos radiales hacia nosotros ubicados abajo y al centro  – A la derecha se observa la imagen corregida – Crédito: (M.U. SUBBARAO ET AL., NEW J. PHYS. 10 (2008) 125015; IOPSCIENCE.

Es imposible que en todo el Universo existan filamentos hacia nosotros (en la imagen de la izquierda estamos abajo y al centro). Evidentemente se trataba de un efecto de mala reducción o interpretación de los datos observacionales.
Recordemos que en el Universo todo está en movimiento y sujeto a la acción de las fuerzas gravitatorias. Las galaxias participan del movimiento de la estructura donde se encuentran, moviéndose como deben por estar donde se encuentran. Pero también tienen un movimiento propio; uno con el que se moverían su estuvieran aisladas del grupo. Incluso, ese movimiento está afectado por la acción gravitatoria de estructuras cercanas. O sea que las galaxias pueden mostrar un alejamiento mayor o menor que el correspondiente a su distancia. Eso termina afectando los datos y aparecen Los Dedos de Dios.
Luego de hacer las correcciones necesarias, se obtiene la estructura esperada.
Nuestro Universo muestra una estructura filamentosa. Hilos de materia donde hay galaxias como perlas hilvanadas en un collar. Donde los filamentos son más gruesos o donde se unen dos o más de ellos, hay estructuras más grandes como cúmulos, supercúmulos o incluso murallas galácticas (Posible estructura galáctica mayor a la Muralla Sloan | pdp, https://paolera.wordpress.com/2014/01/03/posible-estructura-galactica-mayor-a-la-muralla-de-sloan/).

Pero ahora la pregunta es: ¿cómo se llegó a esa estructura?
¿Acaso se formaron pequeñas estructuras que se unieron en otras mayores (de abajo hacia arriba)?
¿O acaso se formaron de arriba a abajo, donde estructuras enormes se fueron fragmentando en menores?

En el primer caso, se formaron estrellas las que se unieron en galaxias. Éstas en cúmulos y éstos en supercúmulos. En el segundo, las grandes estructuras van colapsando en estructuras menores hasta llegar a las estrellas.
Recordemos que las estrellas son los elementos básicos que dan origen a las grandes estructuras.
También debemos recordar que en el Big-Bang, la materia apareció uniformemente distribuida. Una “imperfección” pudo dar origen a una alocada coagulación de materia. Un pequeño colapso genera gravitación que atrae más materia, la que aumenta la gravitación y así sigue la desbocada acreción.

En el primer caso, las imperfecciones se habrían dado a pequeña escala.
Primero comenzaron las protoestrellas que luego se fueron agrupando en protogalaxias. Luego éstas lo hacieron en protocúmulos y finalmente éstos en protosupercúmulos. Cuando las estrellas comenzaron a brillar quedaron todas las estructuras definidas.

En el otro caso, las imperfecciones se dieron a gran escala.
Grandes estructuras fueron colapsando en otras menores por regiones. Primero comenzaron a darse los protosupercúmulos, luego éstos fueron sufriendo coagulaciones localizadas en forma de protocúmulos. Más tarde, en ellos, se dieron protogalaxias donde comenzaron las protoestrellas. Cuando se encendieron las estrellas, terminaron de definirse todas las estructuras superiores.

Al día de Hoy, casi fines del 2019, la respuesta es: Ambos al mismo tiempo.
Se dieron imperfecciones en pequeñas y grandes escalas, incluso también en medianas escalas.
Es lógico pensar que los colapsos a pequeña escala pudieron haber comenzado un poco antes que los de escalas mayores, aunque los estudios indican que el Universo evolucionó con una ligera ventaja de las imperfecciones a gran escala.

Fuente:

pdp.

La Nube Mayor de Magallanes tiene estructura espiral.

Las Nubes de Magallanes son galaxias vecinas visibles a simple vista desde el Hemisferio Sur.
La mayor se encuentra a unos 160 mil años luz (AL) de casa y la menor a unos 200 mil AL. Se trata de las más cercanas luego de la enana del Can Mayor a 25 mil AL de Nosotros y de la enana elíptica de Sagitario a 70 mil AL.
Se piensa que las Nubes de Magallanes son satélites de la Vía Láctea, aunque hay quienes sostienen que están de paso mientras viajan por el Grupo Local al cual pertenecemos. Para algunos, la mayor de ellas está en curso de encuentro con la Nuestra (La Nube Mayor de Magallanes en curso de colisión con la Vía Láctea | pdp, https://paolera.wordpress.com/2019/01/04/la-nube-mayor-de-magallanes-en-curso-de-colision-con-la-via-lactea/).

Siempre fueron catalogadas como irregulares, pero la mayor de ellas parece tener una morfología más interesante.
La tecnología permite realizar observaciones en diferentes longitudes de onda (colores visibles e invisibles a nuestro ojos). Eso nos deja observar estructuras no visibles al ojo humano. En este caso, se obtuvieron imágenes visibles e infrarrojas de la Nube Mayor. Observarla en diferentes “colores” nos permite ver estructuras que de otra manera pasarían desapercibidas.

Veamos.

The Large Magellanic Cloud revealed by VISTA

Crédito: ESO/VMC Survey

El centro de la imagen está dominado por una estructura alargada, como una barra.
Hacia la izquierda y abajo, se aprecia una estructura en forma de brazo espiral, lo mismo que hacia arriba y a la derecha, aunque en este caso no es tan notable.
Eso definitivamente nos muestra la estructura espiral de esta galaxia.
Así pues, la Nube Mayor de Magallanes es una enana espiral irregular.
En otras palabras, si observamos esta imagen sin saber que se trata de La Nube Mayor de Magallanes, afirmamos sin dudar que es una espiral. Ahora vemos “con otros ojos” las imágenes anteriores de esta galaxia.

Como detalle, arriba y a la izquierda se observa la región de formación estelar en esa galaxia conocida como la Nebulosa de la Tarántula.

En cuanto a su compañera, la Nube Menor de Magallanes, por ahora muestra una forma alargada, sin sub-estructuras, por lo que se la toma como un enana elipsoidal irregular.

Referencia:

Fuente:

pdp.

La periodicidad del agujero negro central de GSN 069.

Todas las galaxias tienen un agujero negro supermasivo en su centro.
Todos ellos están rodeados de un disco de materia que cae hacia él en forma de remolino. Al hacerlo, esa materia autofricciona y se recalienta emitiendo energía. A medida que se acerca al agujero negro, esa emisión se hace más intensa y es detectada principalmente en rayos X.
Esta energía sale de las vecindades del agujero negro y sirve para detectarlos.

En el centro de la galaxia GSN 069 a 250 millones de años luz de Casa, reina su agujero negro supermasivo. Como todos, muestra actividad en rayos X. Esa actividad se manifiesta como continuos destellos al azar, digamos como un chisporroteo observable en altas energías.
Pero en este caso hay algo más.
Muestra picos de unas 100 veces el valor “normal” durante una hora, luego decae su actividad para repetir el máximo en 9 horas.

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Animación en base a las observaciones crédito de ESA/XMM-Newton; G. Miniutti & M. Giustini (CAB, CSIC-INTA, Spain).

No es habitual que se observe un comportamiento así de periódico en un agujero negro.
Seguramente está relacionado con la materia que precipita en él. Es probable que todo esté relacionado con un segundo objeto.

Puede ser que otros agujeros negros centrales muestren periodicidades en sus emisiones, pero no se las detecta por ser mucho más lentas o de mayor período.
En los agujeros negros, las fluctuaciones aleatorias son más lentas “o suaves” a mayor masa de estos objetos.
En este caso, el agujero negro supermasivo de GSN 069 tiene una masa de 400 mil Soles. Si bien es mucho, la mayoría de estos objetos suelen tener de millones a miles de millones la masa del Sol.
Esto podría explicar por qué se detectó variaciones periódicas en este objeto y no se detectan en la mayoría que posee más masa.

Referencia:

Fuente:

pdp.