En el modelo cosmológico estándar (𝜦CDM), las galaxias son meramente las "puntas del iceberg" visibles, residiendo dentro de masivos e invisibles capullos de materia oscura conocidos como halos. Aunque estos halos dictan la evolución y el movimiento de las galaxias, medir su verdadero tamaño y masa ha sido durante mucho tiempo una de las tareas más desafiantes de la astrofísica.
Un nuevo estudio publicado en Astronomy & Astrophysics por Claudio Dalla Vecchia e Ignacio Trujillo, del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), propone un avance fundamental: una definición de "borde galáctico" basada en principios físicos que actúa como una "regla" de precisión para la materia oscura que lo rodea.
Durante décadas, los astrónomos han confiado en el "radio efectivo" (Re) —el radio que contiene la mitad de la luz de una galaxia— como la medida estándar de tamaño. Sin embargo, el Re suele ser un indicador deficiente del límite físico de una galaxia. Debido a que las estrellas pueden migrar hacia el interior o exterior durante miles de millones de años, y dado que el Re es sensible al brillo del núcleo galáctico, no se correlaciona de forma sólida con la estructura de materia oscura subyacente.
"La forma tradicional en la que medimos las galaxias es como intentar adivinar el tamaño de una montaña mirando solo el brillo de la estación de esquí en su cima", explica el contexto de la investigación. El resultado es un alto grado de "ruido" estadístico, lo que dificulta vincular las estructuras estelares visibles con los vastos halos de materia oscura que las contienen.
Los investigadores se centraron en una métrica más reciente llamada R1. Esta se define como la distancia radial desde el centro de una galaxia donde la densidad superficial de masa estelar cae a 1 M☉pc-2 (una masa solar por pársec cuadrado). A diferencia del radio efectivo, R1 está vinculado a la física fundamental de la formación estelar. Los modelos teóricos sugieren que el gas solo alcanza la densidad suficiente para formar estrellas (la transición al hidrógeno molecular) por encima de cierto umbral. R1 representa el "registro fósil" de este umbral: el límite más externo donde la galaxia fue capaz de formar estrellas in situ.
Para comprobar si el R1 podía revelar las propiedades de la materia oscura, el equipo utilizó las simulaciones EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments). Estos son modelos cosmológicos masivos de alta resolución que rastrean la interacción del gas, las estrellas y la materia oscura a lo largo de miles de millones de años de historia cósmica.
Los hallazgos fueron sorprendentes:
- Precisión extrema: La relación entre la masa estelar de una galaxia y su tamaño R1 mostró una dispersión intrínseca de solo 0.06 dex. Esto es significativamente más ajustado que cualquier relación masa-tamaño previa.
- La conexión con el halo: El estudio estableció una correlación directa de doble ley de potencia entre el tamaño de la galaxia (R1) y el tamaño del halo (R200) —el radio en el que la densidad del halo es 200 veces la densidad crítica del universo).
- Seis veces más preciso: Al usar R1, los investigadores pudieron estimar la masa de un halo de materia oscura con una precisión seis veces mayor que utilizando el radio efectivo tradicional.
Para los físicos y cosmólogos, esta "regla" cambia las reglas del juego. La materia oscura no se puede ver directamente; normalmente se infiere a través de lentes gravitacionales (la curvatura de la luz) o la dinámica galáctica (midiendo la velocidad de rotación de las estrellas). Ambos métodos son costosos observacionalmente y requieren una enorme cantidad de tiempo de telescopio.
El método R1 permite a los investigadores estimar las propiedades del halo invisible simplemente tomando una imagen profunda de la galaxia y midiendo su borde estelar exterior.
Este descubrimiento proporciona una nueva herramienta para poner a prueba el modelo 𝜦CDM. Si las observaciones de galaxias reales continúan coincidiendo con estos resultados de simulación, se confirmaría nuestra comprensión de cómo la materia bariónica (átomos) y la materia oscura interactúan para construir la estructura a gran escala del universo. Si divergen, podría señalar "nueva física" en el sector de la materia oscura.
"Hemos descubierto que el borde de la galaxia visible no es arbitrario", sugiere el estudio. "Es una puerta de entrada precisa al lado oscuro del universo".
