¿Es posible determinar si las galaxias distantes están unidas gravitacionalmente?

Tienes razón en que determinar el límite gravitacional a grandes distancias es difícil. Resumen rápido de la información disponible con respecto a las posiciones y velocidades:

• Separación angular entre dos galaxias
• Corrimiento al rojo

Lo cual realmente no es mucho con lo que trabajar. No se puede controlar la separación física (proyectada) sin conocer la distancia. Y no puede obtener la velocidad peculiar (componente de la línea de visión) sin la distancia para que pueda usar la ley de Hubble, y no puede obtener una distancia precisa de la ley de Hubble porque no conoce la velocidad peculiar. ..

Pero hay algunos trucos que usan los astrónomos para intentar hacerlo mejor. Ayuda si tiene una medida independiente del corrimiento al rojo de la distancia a las galaxias, pero más allá del Universo local, solo la luminosidad SNIa tiende a ser útil, y necesitaría tener una suerte poco común para obtener mediciones SNIa en las dos galaxias en las que se encuentre. estar interesado. También están las relaciones Tully-Fisher y Faber-Jackson (gracias Chris White por el recordatorio) que pueden ayudar con las distancias, pero la dispersión en estas relaciones es lo suficientemente grande como para que sea esencialmente inútil para determinar la delimitación (esto es en realidad también es cierto para las mediciones SNIa, por lo general).

Lo mejor que podemos hacer es proponer candidatos de pares/grupos vinculados y luego intentar reforzar o invalidar esa hipótesis. Encontrar candidatos es bastante fácil: busca galaxias con pequeñas separaciones angulares y que tengan corrimientos al rojo similares dentro de cierta tolerancia. Siempre existe la posibilidad de que puedas tener una galaxia más cercana con una velocidad peculiar positiva y una galaxia más distante con una velocidad peculiar negativa conspirar y tener un corrimiento al rojo similar, por lo que esto no confirma que las dos galaxias tengan distancias similares, pero puede refutarlo. Si las dos galaxias tienen una compensación de velocidad (velocidad en el sentido de peculiar + recesional) de, digamos$15,000\,{\rm km}/{\rm s}$, puede estar bastante seguro de que no están vinculados .

Otra cosa que la gente suele buscar es la alteración morfológica. Si un par de galaxias están interactuando lo suficiente como para arrancar grandes colas de marea entre sí, entonces es casi seguro que están unidas gravitacionalmente. Un ejemplo particularmente llamativo:

¡Nadie discute que este par está unido gravitacionalmente! Para una descripción más técnica, aquí hay un artículo reciente que usa perturbaciones morfológicas para buscar fusiones/pares que interactúan.

Existe otra técnica que funciona razonablemente bien, pero solo en el caso de grupos y cúmulos de galaxias más grandes. Un diagrama de magnitud de color de galaxia muestra el color (diferencia de luminosidad en dos filtros de banda ancha) en función de la magnitud en algún filtro de banda ancha. El ejemplo del libro de texto es una función de la magnitud absoluta y, en este caso, la mayoría de las galaxias tienden a aterrizar a lo largo de una línea llamada secuencia roja o en una región llamada nube azul. Aquí hay un ejemplo de la tesis de maestría de un amigo mío (la nube azul no es visible aquí porque hay un déficit bien conocido de galaxias azules en los cúmulos, y esta muestra apunta específicamente a un cúmulo; también tenga en cuenta que el eje x está invertido en relación con el esquema en el artículo de Wikipedia que vinculé):

Una galaxia más distante está, en promedio, más a la derecha (la magnitud aparente se vuelve más débil) y arriba (el color es más rojo debido al desplazamiento hacia el rojo) en este diagrama. Las bandas casi horizontales, una de las cuales está resaltada, son las secuencias rojas de una serie de estructuras unidas a diferentes distancias a lo largo de aproximadamente la misma línea de visión. Los puntos entre líneas son candidatos para ser miembros de un solo cúmulo de galaxias. Por supuesto, existe una posibilidad muy obvia de que algunos de ellos pertenezcan a la dispersión en las distribuciones de algunas de esas otras secuencias rojas, pero la mayoría de los puntos entre las líneas son de un único cúmulo de galaxias unido gravitacionalmente.

Finalmente, conectaré descaradamente algunos de mis propios trabajos de maestría , cuya esencia es que, dados solo los dos observables (viñetas) con los que comencé esta respuesta, puede obtener la probabilidad de que una galaxia determinada sea miembro de un cúmulo que está cerca en la posición proyectada y la velocidad de la línea de visión (todas las probabilidades se calculan a partir de simulaciones, donde sabe todo lo que podría interesarle sobre la cinemática de los halos de materia oscura que albergan galaxias). El problema es que, para empezar, necesita conocer algunas propiedades del clúster, pero en la práctica, para clústeres grandes, es fácil obtener una estimación suficientemente precisa de lo que necesita para que el método funcione. Los miembros del grupo ocupan la parte roja de este diagrama, mientras que los no miembros ("intrusos") ocupan principalmente la región azul: