¿Por qué la cantidad de materia oscura aumenta cuanto más se aleja del centro de la galaxia?

Question

¿Por qué la materia oscura no está distribuida al azar? ¿Cómo sabe dónde ir?

Answer 1

Si tomas una nube de polvo y la dejas colapsar bajo su propia gravedad, entonces no formará una masa compacta a menos que haya alguna manera de que pierda energía. A menos que las partículas de polvo puedan perder energía, simplemente caen en el potencial central, pasan por el centro y vuelven a salir. Así que la nube de polvo sólo oscila alrededor del centro de masa.

La principal fuente de pérdida de energía es a través de las interacciones electromagnéticas. Las partículas de polvo chocan y transfieren energía cinética a las vibraciones de la red, es decir, su temperatura aumenta, y emiten fotones por radiación de cuerpo negro. Los fotones emitidos arrastran energía.

Sin embargo, las partículas de materia oscura no interactúan a través de la fuerza electromagnética. No sabemos exactamente qué son, pero se cree que sólo interactúan a través de la fuerza débil. Esto significa que son mucho, mucho menos eficientes a la hora de disipar la energía que la materia bariónica normal, y en consecuencia una nube de materia oscura colapsará mucho más lentamente que una nube de materia bariónica.

Esperamos que el perfil de densidad de la materia oscura sea más o menos comparable al perfil de densidad de la materia bariónica, de modo que sea más densa en el centro y caiga como una ley de potencia con la distancia desde el centro de la nube. Sin embargo, el ritmo de disminución de la densidad será mucho más lento que el de la materia bariónica y, por tanto, esperamos que una galaxia esté inmersa en una nube de materia oscura mucho más grande.

Así que la oscuridad no está distribuida al azar, como sugieres en tu pregunta, sino que se extiende a distancias mucho más allá del borde de la galaxia.

Hay muchos trabajos sobre la modelización de la estructura de la materia oscura alrededor de las galaxias. Una búsqueda rápida en Google encontró este documento que da una buena descripción. La distribución de masa acumulada, es decir, la masa dentro de un radio $r$ varía con $r$ como se muestra en este diagrama del documento:

Muestra las distribuciones de masa medidas y calculadas para la galaxia de Andrómeda. El borde de la materia visible se encuentra alrededor de 40 kpc, y la línea azul discontinua muestra cómo la masa de la materia visible deja de aumentar fuera de este radio. Sin embargo, la masa total sigue aumentando, lo que debe deberse a la materia oscura que se encuentra fuera de la galaxia. Los puntos negros son medidas deducidas de la curva de rotación.

Answer 2

Parece que hay cierta confusión aquí. El densidad distribución de la materia oscura aumenta hacia el centro de una galaxia. Una de las aproximaciones habituales es que sigue una Navarro, Frenk & White perfil. $$ \rho(r) = \frac{\rho_0 (R_s/r)}{\left( 1 + r/R_s\right)^2},$$ donde $\rho(r)$ es la densidad en el radio $r$ y $R_s$ es una longitud de escala para el modelo. Se puede ver que la densidad se vuelve muy grande cuando $r$ es pequeño. Se trata de una aproximación empírica a las simulaciones de cuerpos N de cómo se comporta la materia oscura bajo el supuesto de que la materia oscura sólo interactúa gravitatoriamente, es decir, que es sólo la gravedad la que le dice a la materia oscura cómo comportarse.

La masa entre cualquier rango de radios se encuentra entonces integrando el perfil sobre el volumen $$M = \int^{r_2}_{r_1} \rho(r)\ 4\pi r^2\ dr$$ es decir, la masa contenida en una cáscara de espesor $dr$ viene dada por $$dM= \frac{4\pi R_s r}{\left( 1 + r/R_s\right)^2}\ dr$$ es decir, esto se comporta como $f(x) = x/(1+x)^2$ y la masa en una cáscara de un grosor determinado aumenta hasta $r=R_s$ y luego disminuye en radios mayores.

Por tanto, si los halos de materia oscura están realmente representados por un perfil NFW, entonces la afirmación implícita en tu pregunta no es cierta. Sin embargo, lo que sí es cierto es que la materia normal parece estar más concentrada hacia el centro de las galaxias. Esto se debe a que, en el modelo de la materia oscura fría (CDM), "cae" en los potenciales gravitacionales preexistentes que fueron creados por la materia oscura en los primeros tiempos del universo. (La CDM puede agruparse antes que la materia normal porque no se ve afectada por la presión del gas y la radiación). Cuando la materia normal cae en el potencial creado por la materia oscura, se "virializa". Es decir, las colisiones entre partículas disipan energía (es decir, el gas se enfría), de manera que estadísticamente la energía cinética media de una partícula es la mitad de su energía potencial gravitatoria. Esto hace que se "hunda" en el halo de materia oscura. La obra canónica que hay que leer es White & Rees (1978)