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22/8/14 - DJ:

Newton, Fermi y Dirac, en el cielo

T.E.L: 3 min. 11 seg.

Un nuevo modelo para describir la estructura de las galaxias
En un reciente artículo en MNRAS, científicos argentinos del Observatorio de París y la Universidad Pierre y Marie Curie describen las principales propiedades observadas de galaxias con una nueva teoría.

El universo se compone en mayor medida de materia oscura, distinta de la ordinaria y que se manifiesta a través de la acción de la gravedad.
La proporción de materia oscura en la masa total de las galaxias varía de acuerdo a sus tamaños: 95% para grandes galaxias espirales o elípticas y hasta el 99,9% en las enanas compactas.

En semejantes proporciones, la materia oscura y la gravedad juegan un rol decisivo en la formación y estructura de las galaxias.

Usando una teoría que involucra esos dos componentes, un equipo de científicos, que incluye a dos argentinos residentes en París, consiguieron reproducir las propiedades observadas de las galaxias, es decir, su velocidad circular, distribución de densidad, así como las relaciones entre sus masas, tamaños y velocidades.

Energía oscura cálida
El enfoque teórico se basa en la supuesta existencia de materia oscura "cálida" (warm), en oposición a la "fría". Se compondría de partículas con masas en la escala de mil electron voltios (eV o keV, equivalente a 10-33 kg, un electrón tiene una masa de 511 keV). En la versión "fría" las partículas son más pesadas y lentas.

El trabajo se basa en las propiedades cuánticas de esta materia, como el espín y la estadística de partículas: una presión repulsiva se genera contra la acción atractiva de la gravedad.

Para el trabajo se usaron diez diferentes conjuntos de datos de galaxias, cada set con galaxias de masas entre 5x109 a 5x1011 masas solares.

Las velocidades circulares obtenidas (curvas de rotación) y distribución de densidades son consistentes con aquellas observadas. Y un dato notable: las curvas de rotación teóricas normalizadas y los perfiles de densidad son universales: son iguales para todas las galaxias de diferente tipo, tamaño y masa.

Las galaxias compactas enanas se acercan al modelo de Thomas-Fermi, mientras las galaxias intermedias (espirales, elípticas y otras) se acercan al modelo clásico de Boltzmann.

Las simulaciones de materia oscura cálida hechas hasta ahora son clásicas: no se usa la dinámica cuántica, sino las ecuaciones de Newton. Por tanto, en los núcleos galácticos, debajo de ~100 pc, esas simulaciones de N-cuerpos sin la presión cuántica exhiben pequeños núcleos con tamaños menores a los observados. El efecto cuántico relevante para estos científicos, según trabajos previos, es la presión fermiónica.
Cuando se tiene en cuenta este efecto, la teoría predice estructuras correctas, según lo observado.

En el paper, al que se puede acceder gratis, el trabajo se estructura con una presentación del problema; luego en la sección 2 se aborda el enfoque Thomas-Fermi; luego se contrastan las observaciones con los datos teóricos; y finalmente se hacen las conclusiones.

La cinemática de varios miles de discos galácticos, descritos por sus curvas de rotación y otros parámetros, muestran que la densidad de los halos de materia oscura alrededor de galaxias de diferentes tipos, luminosidades y morfología están bien representados por el llamado Perfil de Burkert.


En la Figura 2 se muestran las velocidades circulares normalizadas de datos observacionales y las que surgen de la fórmula Thomas-Fermi. URC significa universal rotation curve (ver Salucci et al. 2007).

Conclusiones
Los físicos teóricos concluyen que la mejor manera de descifrar la naturaleza de la materia oscura es estudiar las propiedades de los objetos físicos formados por ella: las galaxias.

La materia oscura cálida (WDM) fermiónica produce por sí misma galaxias y estructuras en acuerdo con observaciones modelizadas con el perfil Burkert mostrando que las correcciones bariónicas a la WDM no son muy importantes.
Los resultados muestran la utilidad del enfoque Thomas-Fermi para describir las estructuras de las galaxias.
El nuevo enfoque une la gravedad y las propiedades cuánticas de la materia oscura. Tiene su contraparte en el enfoque estadístico usado para átomos (conocido como Thomas-Fermi), con la gravedad jugando el rol del potencial eléctrico. En otras palabras, "Newton, Fermi y Dirac, se encuentran en las galaxias a través de la materia oscura", apunta Norma Sánchez, co-autora del trabajo.

El trabajo está firmado por H. J. de Vega (UPMC), P. Salucci (SISSA/ISAS-INFN) y Norma. G. Sanchez (Observatoire de Paris, LERMA)

Héctor José de Vega es argentino, nacido el 10 de abril de 1949. Se doctoró en física en la UNLP (1973) y trabaja como investigador en CNRS desde 1980. También tiene la nacionalidad francesa.
La Dra. Norma Graciela Sánchez también es argentina, nacida en Ensenada. En 2009 el GEN presentó un proyecto para declararla ciudadana ilustre de la Provincia de Buenos Aires. En el proyecto se informa de su trayectoria.


Fuentes y links relacionados

  • "Observational rotation curves and density profiles versus the Thomas-Fermi galaxy structure theory", H. J. de Vega; P. Salucci; N. G. Sanchez Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 442 (2): 2717-2727 (2014)
    DOI:10.1093/mnras/stu972
  • Observatorio de Paris: A new model to describe the structure of galaxies
  • Fermionic Warm Dark Matter and the Thomas-Fermi galaxy structure
    theory (PDF), H.J. De Vega, LPTHE, CNRS/Universite P & M Curie (Paris VI), 18th Paris Cosmology Colloquium 2014, Observatoire de Paris, Paris campus

Sobre las imágenes
  • Imagen de Observatory of Paris.
  • Figura 2. Crédito: H. J. de Vega; P. Salucci; N. G. Sanchez Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 442 (2): 2717-2727 (2014)

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