Evidencia de la materia oscura y dinámica de las galaxias

Las curvas de rotación planas de las galaxias, los movimientos de las galaxias en cúmulos y las lentes gravitacionales revelan una masa gravitatoria mayor de la que puede proporcionar la materia visible, lo que constituye la evidencia central de la materia oscura.

Definition

La evidencia dinámica de la materia oscura es el exceso sistemático de masa gravitatoria sobre la masa visible inferido de los movimientos de las estrellas y las galaxias y de las lentes gravitacionales, lo que indica un componente de masa no visible en las galaxias y los cúmulos.

Scope

Este tema abarca los pilares observacionales de la materia oscura: las curvas de rotación planas de las galaxias espirales, las altas dispersiones de velocidad de las galaxias en cúmulos, los mapas de masa de lentes gravitacionales, incluido el cúmulo Bala, y la forma en que estas mediciones dinámicas cuantifican la cantidad y distribución de la masa no visible.

Core questions

• ¿Por qué las curvas de rotación de las galaxias se mantienen planas en radios grandes?
• ¿Cómo revelan la materia oscura la dinámica de los cúmulos y las lentes?
• ¿Qué muestra el cúmulo Bala sobre la materia oscura?

Key concepts

• Curva de rotación
• Halo de materia oscura
• Dispersión de velocidad
• Lente gravitacional
• Relación masa-luminosidad
• Cúmulo Bala
• Masa virial

Key theories

Curvas de rotación planas

Las velocidades orbitales de las estrellas y el gas en las galaxias espirales permanecen aproximadamente constantes lejos del centro en lugar de disminuir, lo que implica un halo extendido de masa no visible que rodea el disco visible.

Discrepancia de masa en cúmulos

Las galaxias en cúmulos se mueven demasiado rápido para ser mantenidas unidas solo por la gravedad de la materia visible, y las lentes confirman la gran masa total, lo que demuestra una cantidad sustancial de materia oscura a escalas de cúmulos.

Mechanisms

Las velocidades orbitales medidas y las deflexiones por lentes se convierten en masa encerrada utilizando la gravedad; la masa resultante excede con creces la de las estrellas y el gas, y el desplazamiento espacial entre la masa de las lentes y el gas de rayos X en los cúmulos en colisión muestra que la masa dominante es materia oscura sin colisiones en lugar de bariones ordinarios.

Clinical relevance

Estas observaciones son el fundamento empírico de la materia oscura: establecen que las galaxias y los cúmulos están incrustados en halos oscuros masivos, fijan la densidad local de materia oscura relevante para los experimentos de detección y proporcionan la evidencia más sólida de que la masa faltante es una sustancia nueva y débilmente interactuante.

History

El análisis de cúmulos de Zwicky de 1933 implicó por primera vez la masa faltante, pero el caso se volvió convincente con las curvas de rotación planas de Rubin y Ford alrededor de 1970; los estudios de lentes gravitacionales y la observación del cúmulo Bala en 2006 proporcionaron una confirmación sorprendente de que la materia oscura es distinta del gas ordinario.

Debates

Alternativas de gravedad modificada

Propuestas como la dinámica newtoniana modificada pueden ajustarse a algunas curvas de rotación de galaxias sin materia oscura, pero tienen dificultades con los cúmulos y el cúmulo Bala, lo que alimenta un debate continuo sobre si la nueva materia o la nueva gravedad explican mejor los datos.

Key figures

• Vera Rubin
• Kent Ford
• Fritz Zwicky
• Jeremiah Ostriker
• Douglas Clowe

Seminal works

• rubin1970
• zwicky1933

Frequently asked questions

¿Qué es una curva de rotación de galaxias?

Es un gráfico de la velocidad a la que las estrellas y el gas orbitan una galaxia en función de la distancia desde su centro; la observación de que estas velocidades se mantienen altas a grandes distancias, en lugar de disminuir, es un signo distintivo de un halo extendido de materia oscura.

¿Por qué se considera el cúmulo Bala una evidencia sólida?

En el cúmulo Bala, dos cúmulos de galaxias colisionaron y el gas caliente, la mayor parte de la materia ordinaria, se ralentizó y se separó de la mayor parte de la masa mapeada por las lentes; este desplazamiento se explica naturalmente si la mayor parte de la masa es materia oscura sin colisiones.