RELACION MASA/LUMINOSIDAD: LA MATERIA OSCURA

RELACION MASA/LUMINOSIDAD:
LA MATERIA OSCURA
• Desde que se han tenido estimaciones de la masa y a la vez de
la luminosidad, se han obtenido valores de M/L.
•Estos valores varían:
–de galaxia a galaxia según el tipo de Hubble,
siendo mayor para las galaxias tardías
–dentro de la misma galaxia a lo largo del radio:
son mayores para radios externos
–según el modelo que se use....

RELACION DE TULLY-FISHER
Tully-Fisher
analizaron una
muestra de galaxias
conocidas y vieron
que la magnitud de
la galaxia está
directamente
relacionada con la
velocidad de
rotación:
L α V c
4
M α –10 log Vc

Esta relación puede calibrarse para obtener la distancia de una
galaxia a partir de su magnitud y su velocidad de rotación

Esta relación ha sido medida posteriormente para todo tipo de galaxias
y cúmulos de galaxias y para diversas bandas. Es la banda I es dónde la
dispersión es menor.
Example relation between rotational velocity and I-band luminosity for a large
sample of spiral galaxies from Dell'Antonio et al. (1996). The slope of the line is -
8.4, which is close to the expected slope -10 relation derived from the Virial
Theorem. The X-axis is the log of the line width where zero corresponds to log =
2.5 (~ 300 km/s).

La relación se traduce
en una relación de la
masa con la luminosidad

Dependencia de la relación M/L
con el radio

Dependencia de M/L con la luminosidad

MASAS EN CÚMULOS DE GALAXIAS
Puede determinarse la masa total en un cúmulo
suponiendo que está virializado, usando las velocidades
particulares que tienen las galaxias dentro del cúmulo. A
partir de sus movimientos se obtiene la masa total del
cumulo.

LENTES GRAVITACIONALES

• Una de las primeras determinaciones hechas para los cúmulos fue calcular la
relación M/L a partir de la masa de las galaxias y de la masa del virial
calculada de las dispersiones de velocidades estimadas. Este valor era de más
de 200-300 M./ L, cuando el valor en las galaxias es 10 o 20.
• hay que sumar la masa del gas. Las estimaciones descritas anteriormente dan
para la fracción de masa de gas a masa de cúmulo valores entre 0.03-0.15 h -
1
, o sea un valor medio de 0.07 con una Mcl de 10 13- 10 14 h -2.5 M.
• La relación de masa bariónica a masa total del cúmulo se obtiene de:
Ω
Ω
b
m
=
M
gas
M
+ M
cl
∗
=
M
M
gas
cl
+
M
M
∗
cl
=
0.07h
− 1 +
0.05

MASA OSCURA...
Y OTRAS EXPLICACIONES
Existen varias hipótesis para explicar dicha no coincidencia:
•Existe algun tipo de materia que no ve (masa oscura) Y además es no
bariónica: relación con las abundancias primordiales
•Teorías MOND, la relatividad produce una aceleración, que debe
incluirse en la expresión de las curvas de rotación, de manera que no es
masa lo que hace que sean planas

Masa barionica oscura
• Existe algun tipo de materia que no ve (masa oscura) pero
bariónica: gas, enanas marrones, planetas, etc.
• Esa materia oscura es en realidad gas molecular frío que no
puede detectarse
• El gas
– molecular frío estaría a gran densidad, si no existe CO no
puede detectarse.
– por debajo de 3 K tampoco se detecta aunque sea
atómico.
– Estudio de la fragmentación en grupúsculos de este gas :
estructura fractal.
– Explica por qué M/L varía a lo largo de la secuencia de
Hubble
– La alta frecuencia de líneas de absorción delante de los
QSO´s

Otras veces ya parecía
que se habían encontrado
zonas vacías con masa
oscura y luego era gas o
incluso una galaxia!!
Curva de rotación
Distribución de gas

FORMACION DE ESTRUCTURAS
• La estructura a gran escala del Universo se forma a
partir de inhomogeneidades que crecen por efecto de la
gravedad. Si solo contamos el efecto de la masa
bariónica, dichas estructuras no crecerían a la
velocidad suficiente.
• Las fluctuaciones en dicha estructura tal y como las ha
medido WMAP por medio de la radiación de fondo de
microondas implican que la densidad de masa
bariónica solo es un 10-15% de la masa total. Es
necesaria una masa oscura
• La relacion M/L aumenta con la escala de lo que se
mira

Por otro lado de otro tipo de datos se deduce que Λ=1
De manera que no solo hay masa oscura sino energía oscura

Masa oscura no bariónica
• La masa oscura no bariónica procede de los
cálculos hecho con las teorías del Big Bang y de la
nucleosíntesis primordial que predicen una
densidad de masa total que es 100 veces la
observada en materia luminosa
• Se puede suponer fría o caliente (no-relativista o
relativista en el momento en que se forman las
galaxias (cuando los fotones están a 1 keV)

Materia oscura caliente no bariónica fría
El candidato típico sería el neutrino :
• produciría estructuras tan grandes como los supercúmulos (13
Mpc) pero no es capaz de formar galaxias ni objetos menores
• cuya masa se ha limitado a m ν < 2.8 eV, de manera que Ων< 0.0076
Neutrino: no suficiente

Materia oscura no bariónica fría
Neutralino χ: necesario en las teorías super-simétricas que van más allá
del modelo standard, se requiere una partícula más por cada partícula
del mod Std.
Axiones emitidos por cuerdas cósmicas: consecuencia de la violación
de la paridad CP

Perfiles de densidad de las galaxias
Los perfiles calculados con las simulaciones de formación de
galaxias predicen aumentos en el centro de las éstas. Los que se
observan son mucho más planos (cups vs cores)
Se cree que si la materia
oscura fuese una partícula que
interaccionase con ella
misma, termalizarian el
sistema y no se vería el cusp
central: explicaría los cores
de los perfiles

Tanto en este caso como en
caso de que fuese un
neutralino, la aniquilación
produciría un aumento de la
radiación γ que sería
observable hacia los centros
de las galaxias

Materia oscura templada:
• Gravitinos: produciría un espectro extra de positrones
• Solitones (B-balls o Q-balls) producidos en transiciones de fase
• Wimpzillas producidas gravitacionalmente al final de la inflación
• Partículas en modelos con dimensiones espaciales extra, o partículas de Kaluza-Klein
(KK), similares a las de la supersimetría pero con el mismo spin que las partículas
correspondientes al modelo Std. Espectro extra de positrones

LAS TEORÍAS MOND
• Teoría fenomenológica que predice una dinámica
newtoniana modificada.
• Existe una aceleración crítica a 0 de manera que la
aceleración de la gravedad g= g N a 0, siendo g N la gravedad
newtoniana. A altas aceleraciones g=g N
• A bajas aceleraciones se notará su efecto, por ejemplo en las
curvas de rotación
• Comprobación de estas teorías en diversos aspectos para
reproducir un gran número de observaciones
– Relación de Tully-Fisher
– Curvas de rotación de galaxias HSB y LSB
– La relación de la fracción de gas con L y brillo
– Otras correlaciones a lo largo de la secuencia de Hubble

Las curvas de rotación se pueden ajustar con esta teoría sin
necesidad de halo oscuro
Una de las ventajas es que se mejora la estabilidad de los discos
que de otro modo necesitarían dispersiones de velocidades en los
discos más altas de lo observado

Las diferencias entre las
velocidades predichas por
MOND y las observadas son
menores de un 20 % en todos
los casos
Los valores M/L en este
caso estarían alrededor
de 2 y nunca serían
mayores de 10

La relación con el brillo superficial
Estos valores para el grupo Local

El 80% de las
curvas se
pueden ajustar
sin necesidad
de halo oscuro

Algunas curvas de rotación parecen indicar
la existencia de un agujero negro masivo
central. Esto ocurre por ejemplo, en nuestra
propia galaxia:

• http://astron.berkeley.edu/%7emwhite/darkmatter/dm.html
• http://www.astro.princeton.edu/~dns/MAP/Bahcall/final.html
• http://map.gsfc.nasa.gov/m_uni/uni_101matter.html
• http://zebu.uoregon.edu/2002/astr123.html
• http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Sept03/Rees/frames.html
• http://cdfinfo.in2p3.fr/Culture/Matierenoire/mngal.html