Astrónomos presencian el nacimiento de un cúmulo muy distante de galaxias del universo primitivo

Usando el telescopio ALMA, en Chile, los astrónomos han descubierto una gran reserva de gas caliente en un cúmulo galáctico aún en formación alrededor de la galaxia Telaraña; la detección más distante de este tipo hasta el momento.

El protocúmulo Telaraña.

Los cúmulos de galaxias son algunos de los objetos más grandes conocidos en el universo y este resultado, publicado hoy en Nature, revela aún más cuán temprano comienzan a formarse estas estructuras.

Los cúmulos de galaxias, como sugiere su nombre, albergan una gran cantidad de galaxias, a veces incluso miles. También contienen un vasto «medio intracúmulo» (ICM) de gas que impregna el espacio entre las galaxias del cúmulo. De hecho, este gas supera considerablemente a las propias galaxias.

Gran parte de la física de los cúmulos de galaxias se comprende bien; sin embargo, las observaciones de las primeras fases de formación del ICM siguen siendo escasas.

Protocúmulos

Anteriormente, el ICM solo se había estudiado en cúmulos de galaxias cercanos completamente formados. Detectarlo en protocúmulos distantes —es decir, cúmulos de galaxias aún en formación—, permitiría a los astrónomos capturar estos cúmulos en las primeras etapas de formación.

Un equipo dirigido por Luca Di Mascolo, primer autor del estudio e investigador de la Universidad de Trieste, Italia, estaba interesado en detectar el ICM en un protocúmulo de las primeras etapas del universo.

Los cúmulos de galaxias son tan masivos que pueden reunir gas que se calienta a medida que cae hacia el cúmulo.

«Las simulaciones cosmológicas han predicho la presencia de gas caliente en los protocúmulos durante más de una década, pero faltaban las confirmaciones observacionales», explicó Elena Rasia, investigadora del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) en Trieste, Italia, y coautora de el estudio. «La búsqueda de una confirmación observacional tan clave nos llevó a seleccionar cuidadosamente uno de los protocúmulos candidatos más prometedores».

Ese fue el protocúmulo Telaraña, ubicado en una época en que el universo tenía solo 3 mil millones de años. A pesar de ser el protocúmulo más intensamente estudiado, la presencia del ICM seguía siendo esquiva. Encontrar una gran reserva de gas caliente en el protocúmulo allí, por ende, indicaría que el sistema está en camino de convertirse en un cúmulo de galaxias adecuado y duradero en lugar de dispersarse.

Buscando la sombra

El equipo de Di Mascolo detectó el ICM del protocúmulo Talaraña a través de lo que se conoce como efecto térmico Sunyaev-Zeldovich (SZ). Este efecto ocurre cuando la luz del fondo cósmico de microondas —la radiación reliquia del Big Bang— pasa a través del ICM. Cuando esta luz interactúa con los electrones que se mueven rápidamente en el gas caliente, gana un poco de energía y su color, o longitud de onda, cambia ligeramente.

«En las longitudes de onda correctas, el efecto SZ aparece como un efecto de sombreado de un cúmulo de galaxias en el fondo cósmico de microondas», explicó Di Mascolo.

Al medir estas sombras en el fondo cósmico de microondas, los astrónomos pudieron inferir la existencia del gas caliente, estimar su masa y mapear su forma.

Esta imagen muestra el protocúmulo alrededor de la galaxia Telaraña (formalmente conocida como MRC 1138-262), visto en un momento en que el universo tenía solo 3 mil millones de años. La mayor parte de la masa del protocúmulo no reside en las galaxias que se pueden ver en el centro de la imagen, sino en el gas conocido como medio intracúmulo (ICM). El gas caliente en el ICM se muestra como una nube azul superpuesta. Crédito: ESO/Di Mascolo et al.

«Gracias a su resolución y sensibilidad incomparables, ALMA es la única instalación actualmente capaz de realizar tal medición para los progenitores distantes de cúmulos masivos», reconoció Di Mascolo.

Determinaron que el protocúmulo Talaraña contiene una gran reserva de gas caliente a una temperatura de unas pocas decenas de millones de grados Celsius. Anteriormente, se había detectado gas frío en este protocúmulo, pero la masa del gas caliente encontrada en este nuevo estudio lo supera miles de veces.

Este hallazgo muestra que se espera que el protocúmulo Telaraña se convierta en un cúmulo de galaxias masivo en alrededor de 10 mil millones de años, aumentando su masa al menos en un factor de diez.

«Este sistema exhibe enormes contrastes. El componente térmico caliente destruirá gran parte del componente frío a medida que el sistema evolucione, y estamos siendo testigos de una transición delicada. Proporciona una confirmación observacional de predicciones teóricas de larga data sobre la formación de los objetos gravitacionalmente más grandes del universo», concluyó Tony Mroczkowski, coautor del artículo e investigador de ESO.

Estos resultados ayudan a sentar las bases para las sinergias entre ALMA y el próximo Extremely Large Telescope (ELT) de ESO, que revolucionará el estudio de estructuras como la mencionada. El ELT y sus instrumentos de última generación, como HARMONI y MICADO, podrán mirar dentro de los protocúmulos y contarnos sobre las galaxias que hay en ellos con gran detalle. Junto con las capacidades de ALMA para rastrear el ICM en formación, esto proporcionará una visión crucial del ensamblaje de algunas de las estructuras más grandes del universo primitivo.

Fuente: ESO. Edición: MP.