¿Cuál es la evidencia, si la hay, de alguna concentración local de materia oscura en alguna región más pequeña que una galaxia?

Este es un tema activo (¿caliente?) de investigación, de hecho asistí a un taller sobre el tema la semana pasada. En resumen, nadie ha encontrado un halo de materia oscura (DM) que no albergue una galaxia, ¡aunque nos gustaría mucho!

La primera razón por la que es tan difícil encontrar un halo de DM que no tenga una galaxia es que una definición de trabajo común de una galaxia es "una colección de estrellas, gas, polvo (posiblemente otras cosas, por ejemplo, un agujero negro supermasivo) que se asienta en un halo de materia oscura" . Esto contrasta con los cúmulos de estrellas ( globulares , cúmulos abiertos ), que son colecciones de estrellas que se cree que carecen de concentraciones significativas de DM. Tradicionalmente, las galaxias enanas y los cúmulos globulares se clasificaban por separado, y se pensaba que el contenido de MS era una de las características definitorias. Ahora la delimitación entre las dos clases parece desdibujarse un poco., y no está claro si estas ideas y definiciones se mantendrán a largo plazo. Entonces, la parte difícil es que para encontrar un halo de DM sin una galaxia, debes encontrar uno que esté realmente vacío , si hay estrellas (o, posiblemente, incluso una nube de gas), lo que tienes es una galaxia.

Otra complicación es que cualquier halo de este tipo debe ser muy pequeño, menos de$10^{9.5}\,{\rm M}_\odot$Más o menos, porque cada halo más masivo se espera que albergue una galaxia . Dado que la única forma de detectar un halo de DM vacío es mediante un efecto gravitatorio (no es del todo cierto, consulte a continuación sobre DM que interactúa consigo mismo), debe ver una interacción gravitacional o un evento de lente gravitacional . Debido a que la masa es baja, los posibles efectos son bastante débiles. Algunas ideas principales actuales:

• Un halo oscuro de DM que colisiona con una corriente estelar podría dejar una brecha reveladora en la corriente . Este es un efecto muy sutil y es muy difícil de medir y modelar. Y además de eso, no se supone que sea especialmente común, y dado que las corrientes estelares solo se pueden observar con suficiente detalle para esta medición en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, existe la posibilidad de que ninguna de las corrientes tenga una brecha y nosotros No tendré suerte.
• Un halo oscuro que se fusiona con una galaxia enana podría ser bastante espectacular: se vería más bien como una gran fusión ordinaria de dos galaxias enanas, excepto que solo una de las enanas fusionadas sería visible. No se espera que la tasa de fusiones sea terriblemente alta, y hay que tener cuidado de no confundirse con otros tipos de perturbaciones en el sistema. En este caso también es muy difícil determinar la masa del halo oscuro, que es una cantidad de considerable interés.
• En los sistemas de lentes potentes, una lente gravitacional a una distancia intermedia crea múltiples imágenes de un objeto de fondo. Para una lente "simple" como una galaxia elíptica masiva, existe una simetría bastante buena y las imágenes pueden aparecer en un puñado de configuraciones conocidas. Con base en sus orientaciones relativas, se puede construir una predicción muy sólida para el flujo relativo (brillo) de las diferentes imágenes. Las desviaciones de las "relaciones de flujo" predichas podrían ser causadas por perturbaciones en la lente por subestructuras oscuras. Esto se denomina "anomalía de la relación de flujo", y se han observado algunas de ellas. la parte complicadaestá convenciéndose de que el FRA se debe a un halo oscuro y no a otra cosa (cúmulo globular o galaxia enana que perturba la lente, difícil de verificar porque las lentes están muy lejos); o una nube de polvo intermedia que bloquea parte de la luz de una de las imágenes.
• Uno de los resultados clave e interesantes del taller en el que participé fue que los modelos de lentes fuertes están comenzando a ser lo suficientemente sofisticados y las observaciones lo suficientemente detalladas como para que sea posible no solo medir la presencia y la posición de una perturbación en la lente , pero también su distancia. Esto es clave, ya que es poco probable que una perturbación fuera del sistema de lentes (es decir, en una parte del Universo generalmente de baja densidad) sea un cúmulo globular, y si la masa es lo suficientemente baja como para descartar una galaxia enana, esto puede ser lo mejor. posibilidad de detección de un halo oscuro en un futuro próximo.

Las implicaciones para una detección son sustanciales. La detección de incluso una sola masa baja ($10^6\,{\rm M}_\odot$, potencialmente incluso hasta$10^7\,{\rm M}_\odot$) en las circunstancias adecuadas es suficiente para descartar todos $7\,{\rm keV}$modelos de materia oscura cálida de neutrinos estériles , que actualmente son el modelo WDM de última generación. Una no detección suficientemente convincente sería muy difícil de conciliar con la materia oscura fría estándar .

Algunas notas a pie de página adicionales en forma de párrafos inconexos:

Vale la pena mencionar brevemente los modelos de materia oscura que interactúan consigo mismos. Si la materia oscura puede autoaniquilarse, entonces podríamos esperar ver$\gamma$-rayos provenientes de los centros de los halos. Se han reclamado algunas detecciones (¡contradictorias!), pero tendremos que esperar y ver. En algunos modelos, se espera que la emisión más fuerte provenga de halos oscuros de baja masa. Los rayos gamma provenientes de "la nada" serían una señal bastante reveladora, si se detectaran.

Otra versión de las estructuras de DM más pequeñas que los halos galácticos completos son los "discos oscuros". Esto es exactamente lo que parece, un disco de materia oscura más densa que se encuentra aproximadamente coplanar con un disco estelar galáctico. La gente ha argumentado que la Vía Láctea tiene uno de estos, e incluso ha argumentado seriamente que mató a los dinosaurios . Soy (enchufe desvergonzado) un colaborador en un artículo que pronto aparecerá argumentando que es poco probable que MW tenga un disco de este tipo, y que incluso si hubiera un disco, tiene pocas consecuencias para los experimentos que intentan detectar DM a través de retroceso nuclear . Aunque no sé lo de los dinosaurios. Tal vez debería leer el libro ;)

Finalmente, en una nota muy prosaica, todos los halos de galaxias masivas tienen una subestructura de materia oscura que los orbita en forma de pequeños grupos, pero todos los detectados contienen una galaxia enana. Lo mismo ocurre con los cúmulos de galaxias, pero los subhalos pueden albergar galaxias bastante masivas (o más enanas).