El Modelo de Materia Oscura Superfluida Enfrenta Desafíos en Curvas de Rotación Galáctica y Lentes Gravitacionales

Introducción

La naturaleza de la materia oscura sigue siendo uno de los misterios más profundos de la física moderna. Si bien el modelo estándar de materia oscura fría (CDM) ha tenido éxito en explicar estructuras cósmicas a gran escala, enfrenta desafíos al describir la dinámica de galaxias individuales. Se han propuesto modelos alternativos, como el modelo de materia oscura superflua (SFDM), para abordar estas discrepancias, combinando aspectos de la materia oscura con la dinámica newtoniana modificada (MOND). El SFDM postula que la materia oscura está compuesta por un campo escalar ligero que puede condensarse en un superfluido, mediando una fuerza similar a la de MOND. Este estudio investiga el modelo SFDM ajustando sus predicciones a las curvas de rotación de 169 galaxias de la muestra Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC). Los investigadores se propusieron evaluar qué tan bien se ajusta el SFDM a los datos observacionales y si se alinea con las expectativas con respecto a las razones masa estelar-luz y al comportamiento similar a MOND.

Probando el Modelo de Materia Oscura Superflua

Los investigadores ajustaron el modelo SFDM a las curvas de rotación de 169 galaxias de la muestra SPARC, tratando la razón masa estelar-luz como un parámetro a determinar. Este enfoque les permitió evaluar el rendimiento del modelo en la reproducción de las velocidades de rotación observadas de las galaxias. El propio modelo SFDM es complejo, involucrando cuatro parámetros que se mantuvieron fijos en valores de referencia derivados de investigaciones previas. La aceleración total dentro del núcleo superflúo de una galaxia es una combinación de fuerzas que surgen del campo de fonones, la propia gravedad del superfluido y la masa de los bariones. Un aspecto clave del SFDM es su potencial para imitar la MOND, particularmente en el "límite MOND", donde una cantidad específica, ε*, es mucho menor que uno. En este límite, la fuerza del fonón se asemeja estrechamente a la fuerza gravitacional modificada propuesta por MOND.

Hallazgos sobre las Razones Masa Estelar-Luz

Un hallazgo principal del estudio se refiere a las razones masa estelar-luz (M/L*) derivadas de los ajustes del SFDM. Si bien el modelo SFDM generalmente produjo valores aceptables de M/L*, surgió un problema significativo: estos valores de M/L* de mejor ajuste mostraron una dependencia poco natural del tamaño de la galaxia. Las galaxias gigantes produjeron consistentemente ratios M/L* más bajos que las galaxias enanas. Esta tendencia es problemática porque los modelos de síntesis de población estelar (SPS), que predicen M/L* basándose en la composición y edad estelar, generalmente esperan que M/L* aumente con la masa de la galaxia, no que disminuya. El estudio también encontró que los ajustes del SFDM a menudo ocurrían en un régimen donde la fuerza del modelo se desvía de la MOND, a menos que una condición de contorno específica se ajuste para cada galaxia. Si se realiza este ajuste, el SFDM pierde una de sus ventajas clave sobre los modelos estándar de materia oscura. Por el contrario, si los ajustes se fuerzan a aproximar bien la MOND, la masa total de la materia oscura superflua entra en tensión con los datos de lentes gravitacionales.

Conflicto con Datos de Lentes Gravitacionales

La investigación también destacó una tensión significativa entre el modelo SFDM y las observaciones de lentes gravitacionales, particularmente cuando el modelo se restringe a comportarse como MOND. Las lentes gravitacionales sondean la distribución total de masa en las galaxias, incluida la materia oscura. Cuando el SFDM se ve forzado a su régimen similar a MOND (es decir, el límite MOND propiamente dicho), la masa total resultante de materia oscura es considerablemente menor de lo necesario para explicar datos de lentes gravitacionales fuertes. Esta discrepancia es clara: para galaxias grandes, la razón masa de materia oscura a masa bariónica en el límite MOND del SFDM es inferior a 10, mientras que los análisis de lentes fuertes sugieren razones de 1000 o superiores. Incluso permitiendo un "límite pseudo-MOND", donde la fuerza del modelo se desvía ligeramente de MOND, las masas de materia oscura no son suficientes para reconciliarse con los datos de lentes. El modelo SFDM de dos campos, una formulación alternativa, también enfrenta desafíos, aunque ofrece una mejor concordancia con el comportamiento similar a MOND. Si bien puede acomodar masas mayores de materia oscura en algunos casos, todavía tiene dificultades para satisfacer simultáneamente las restricciones de curvas de rotación y de lentes.

Conclusión

En conclusión, este análisis exhaustivo del modelo de materia oscura superflua aplicado a curvas de rotación galáctica revela desafíos significativos. Las predicciones del modelo para las razones masa estelar-luz exhiben una tendencia no natural con el tamaño de la galaxia, entrando en conflicto con las expectativas de la síntesis de población estelar. Además, cuando el SFDM se restringe a imitar la MOND, no logra proporcionar suficiente masa de materia oscura para explicar las observaciones de lentes gravitacionales fuertes. Estos hallazgos sugieren que, si bien el SFDM ofrece una alternativa intrigante a los modelos estándar de materia oscura, requiere un refinamiento adicional para resolver estas discrepancias críticas y alinearse completamente con los datos observacionales en diferentes escalas astrofísicas.

Original source: "https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2022/08/aa43216-22/aa43216-22.html" <<<FILE_BOUNDARY>>>