Dossier. La matèria fosca; 5 Les galàxies

Dossier. La matèria fosca; 5 Les galàxies 

En aquest dossier es presenten les diferents pistes que porten a la hipòtesi de la matèria fosca, així com diverses propostes que s'han fet per intentar dilucidar-ne la naturalesa.

Les estrelles de galàxies espirals no són estàtiques però tenen moviment circular al voltant del centre. La força centrifuga a causa d'aquesta rotació compensa la força de gravitació, que és la que evita que les estrelles s'enfonsin cap al cor de les galàxies.

Clic per engrandir. Il·lustració d'una galàxia espiral. Crèdit: Peter Jurik, Adobe Stock

A una distància determinada del centre de la galàxia, la velocitat de rotació està doncs relacionada amb l'atracció gravitatòria en aquest lloc, i per tant també amb la distribució de massa a la galàxia. És anàleg al que passa al sistema solar: la velocitat de rotació dels planetes està fixada per la massa del Sol i la distància entre ells.

Clic per engrandir. Galàxia espiral, vista frontal.

La rotació de les galàxies

Es pot mesurar la velocitat de rotació (gràcies al desplaçament espectral anomenat efecte Doppler) per a cada distància des del centre de la galàxia; aleshores obtenim  una corba de rotació, que també ve determinada per la distribució de masses. Tanmateix, si calculem la corba de rotació deguda a l'atracció gravitatòria de tot el que observem a les galàxies: les estrelles, el gas interestel·lar, els núvols moleculars, pols, trobem que la velocitat de rotació calculada és inferior a la observada, en particular a les regions externes de les galàxies. Els càlculs indiquen que la corba de rotació hauria de disminuir a grans distàncies, mentre que s'observa que és constant a la majoria de les galàxies observades.

Clic per engrandir. Imatges d'una galàxia espiral en diverses longituds d'ona i corba de rotació obtinguda, a la part inferior dreta. Aquesta corba representa la velocitat de rotació en funció de la distància des del centre. (Feu un clic aquí per obtenir més detalls tècnics).

Aquest problema porta el nom de matèria fosca galàctica. Una possible solució és, de fet, que les galàxies contenen un component no detectat, l'atracció gravitatòria és responsable de la discrepància observada. De fet, els càlculs mostren que aquest component hauria de ser molt més gran que tots els components visibles, en un factor de 5 a 10. Aquest factor depèn de les suposicions fetes sobre la forma en què aquesta matèria fosca es distribuiria a la galàxia. Dues hipòtesis principals estan en competència des de fa temps: la del disc màxim, en què la matèria fosca es distribueix en un disc gruixut que se superposaria al disc estel·lar, i la del halo esfèric, en què la matèria fosca es distribueix en un gran halo amb simetria esfèrica. Ara s'afavoreix la segona hipòtesi, per motius relacionats amb la cosmologia que veurem més endavant.

Tingueu en compte que l'anàlisi de les corbes de rotació no ens permet resoldre aquesta qüestió i deduir inequívocament la distribució de la matèria total a les galàxies. Això es deu essencialment al fet que la corba de rotació només conté informació en un pla (el pla de rotació), que no permet traçar l'estructura tridimensional de la distribució de masses. Tenir en compte les observacions d'objectes situats fora del disc permet eliminar parcialment aquesta ambigüitat, tal com s'esmenta al final d'aquesta pàgina.

Moviments estel·lars perpendiculars al disc de la nostra galàxia

En el cas de la nostra galàxia, la situació és una mica especial. Estem a l'interior, i la nostra posició no és gaire favorable per mesurar la seva corba de rotació. D'altra banda, estem molt ben situats per mesurar el moviment de les estrelles a les proximitats del Sol. Això també és interessant, perquè les estrelles que s'allunyen del disc de la galàxia són atretes per la massa continguda en aquest disc i tendeixen a tornar-hi, després a creuar-lo per passar a l'altre costat. Això provoca una oscil·lació a banda i banda del disc. Per tant, l'anàlisi del moviment de les estrelles en la direcció perpendicular al pla del disc galàctic proporciona informació sobre la distribució de la massa en aquest disc. Els resultats d'aquest tipus d'anàlisi han estat durant molt de temps controvertits, però ara sembla establert que el disc en si conté poca matèria fosca. És probable que es distribueixi en un halo estès, amb més forma d'una esfera que d'un disc.

El futur: els moviments tridimensionals de totes les estrelles de la galàxia?

El satèl·lit  GAIA proposa mesurar amb una precisió molt alta la posició i la velocitat de mil milions d'estrelles a la nostra galàxia. Aquest projecte (missió de la ESA, llançat el 2013) permet provar la hipòtesi de la matèria fosca amb molta més profunditat, i si cal mesurar-ne la distribució espacial.

Els moviments dels satèl·lits llunyans de la nostra galàxia

Finalment, l'estudi del moviment d'objectes que no es troben al disc de la galàxia aporta informació addicional als anteriors. En particular, el moviment dels cúmuls globulars (conjunts de menys d'un milió d'estrelles lligades gravitacionalment, vegeu imatges a continuació) i galàxies nanes anomenades esferoïdals indica que l'halo de matèria fosca s'estén a una distància propera als 100.000 anys llum, mentre que el disc visible només s'estén al voltant d'uns 30.000 anys llum.

Clic per engrandir. Cúmul globular Messier M55.

Entre aquests conjunts d'estrelles que orbiten al voltant de la nostra galàxia, algunes presenten una propietat molt interessant: els efectes de marea que pateixen els fan perdre estrelles al llarg de la seva trajectòria. Així, la galàxia nana esferoide de Sagitari deixa enrere un rastre d'estrelles que permet recórrer la seva trajectòria passada. Trobem que aquesta galàxia va passar prop del centre de la nostra galàxia fa uns quants milers de milions d'anys, en una trajectòria Rosseta. Aquesta trajectòria proporciona informació valuosa sobre l'halo de matèria fosca de la nostra galàxia. D'una banda, confirma la presència d'aquest halo, i de l'altra, permet entendre millor la seva forma, en particular el seu aplanament.

Finalment, tingueu en compte que el rastre deixat per la galàxia nana també hauria de ser força ric en matèria fosca. Tanmateix, com que el nostre Sistema Solar es troba en aquesta estela, és possible que ens trobem en un lloc molt privilegiat per detectar directament la matèria fosca, en una mena de pluja local de matèria fosca.

Clic per engrandir. La galàxia nana Sagitari (esquerra) i el flux de matèria que l'acompanya (al mig, recreació artística). També veiem un corrent per a la galàxia nana Ca Major (a la dreta, representació d'una simulació numèrica). Crèdit: NASA, ESA, Hubble Heritage

Aquest tipus d'estudi es pot estendre a altres galàxies, mitjançant l'observació dels seus cúmuls globulars i les seves galàxies nanes, però també estudiant el moviment dels núvols d'hidrogen que les envolten, com en les figures següents:

Clic per engrandir. Núvols de gas HI (en blau a l'esquerra i en vermell a la dreta) pel Compact Array. Aquests núvols s'estenen molt més enllà de les galàxies. Crèdit: B. Koribalski (ATNF), S. Gordon (UQld) i K. Jones (UQld), B. Koribalski (ATNF) i J. Dickey (UMinn).

La velocitat de les estrelles a les galàxies el·líptiques

L'anàlisi de les velocitats en les galàxies el·líptiques revela el mateix problema que a les galàxies espirals: les velocitats són massa altes. Estudis força semblants als que hem presentat a les galàxies espirals es fan per estudiar la forma dels halos de matèria fosca. Per exemple, l'estudi dels moviments dels objectes dels quals les òrbites s'estenen molt cap als halos és crucial, es tracta principalment de cúmuls globulars i nebuloses planetàries.

Clic per engrandir. Galàxia el·líptica M87. Crèdit: CFH

Veure:

Capítol anterior: 4 La matèria fosca; la Cosmologia
Capítol següent: 6 La matèria fosca: Propietats de la matèria fosca (en preparació).

Ho he vist aquí.