Un equipo de astrónomos observa el nacimiento de un cúmulo muy distante de galaxias del universo temprano
Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del cual ESO es socio, un equipo de astrónomos y astrónomas ha descubierto un gran reservorio de gas caliente en el cúmulo de galaxias aún en formación que se encuentra alrededor de la galaxia Telaraña, la detección más distante de este tipo de gas caliente hasta la fecha. Los cúmulos de galaxias son algunos de los objetos más grandes conocidos del Universo y este resultado, publicado hoy en Nature, revela en mayor profundidad cuán temprano comienzan a formarse estas estructuras.
Esta imagen muestra el protocúmulo alrededor de la galaxia Spiderweb (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. El gas caliente se detectó con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), del cual ESO es socio. A medida que la luz del fondo cósmico de microondas, la radiación reliquia del Big Bang, viaja a través del ICM, gana energía cuando interactúa con los electrones en el gas caliente. Esto se conoce como el efecto Sunyaev-Zeldovich. Al estudiar este efecto, los astrónomos pueden inferir cuánto gas caliente reside en el ICM y mostrar que el protocúmulo Spiderweb está en proceso de convertirse en un cúmulo masivo que se mantiene unido por su propia gravedad.
Los cúmulos de galaxias, como su nombre indica, albergan una gran cantidad de galaxias, a veces incluso miles. También contienen un vasto “medio intracúmulo” (ICM por sus siglas en inglés, Intracluster Medium) de gas que impregna el espacio existente entre las galaxias del cúmulo. Este gas, de hecho, se extiende más allá de las propias galaxias. Gran parte de la física de los cúmulos de galaxias es bien conocida; sin embargo, siguen siendo escasas las observaciones de las primeras fases de formación del ICM.
Anteriormente, el ICM solo se había estudiado en cúmulos de galaxias cercanos completamente formados. La detección de ICM en protocúmulos (es decir, cúmulos de galaxias aún en formación) situados a gran distancia, permitiría a la comunidad astronómica captar 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) buscaba 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 protocúmulos durante más de una década, pero faltaban confirmaciones observacionales“, explica Elena Rasia, investigadora del Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) en Trieste (Italia), y coautora del estudio. “La búsqueda de una confirmación observacional clave nos llevó a seleccionar cuidadosamente uno de los protocúmulos candidatos más prometedores”. Se trataba del protocúmulo de la Telaraña, ubicado en una época en la que el Universo tenía solo 3 000 millones de años. A pesar de ser el protocúmulo más estudiado, la detección del ICM había sido infructuosa. Encontrar una gran reserva de gas caliente en el protocúmulo Telaraña indicaría que el sistema está camino de convertirse en un duradero y estable cúmulo de galaxias en lugar de dispersarse.
El equipo de Di Mascolo detectó el ICM del protocúmulo Telaraña a través de lo que se conoce como el efecto térmico Sunyaev-Zeldovich (SZ). Este efecto ocurre cuando la luz del fondo cósmico de microondas (la radiación remanente 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 sombra de un cúmulo de galaxias sobre el fondo cósmico de microondas“, explica Di Mascolo.
Al medir estas sombras en el fondo cósmico de microondas, la comunidad astronómica puede inferir la existencia del gas caliente, estimar su masa y mapear su forma. “Actualmente, gracias a su incomparable resolución y sensibilidad, ALMA es la única instalación capaz de realizar una medición de este tipo de los distantes progenitores de cúmulos masivos“, afirma Di Mascolo.
Determinaron que el protocúmulo Telaraña contiene una vasta reserva de gas caliente a una temperatura de unas pocas decenas de millones de grados centígrados. Anteriormente, se había detectado gas frío en este protocúmulo, pero la masa del gas caliente encontrado en este nuevo estudio lo supera miles de veces. Este hallazgo muestra que el protocúmulo Telarañas va camino de convertirse en un cúmulo de galaxias masivo en alrededor de 10 000 millones de años, aumentando su masa en, al menos, un factor de diez.
Tony Mroczkowski, coautor del artículo e investigador de ESO, explica que “este sistema presenta enormes contrastes. El componente térmico caliente destruirá gran parte del componente frío a medida que el sistema evolucione, y estamos presenciando una transición delicada“. Concluye declarando que “proporciona confirmación observacional de predicciones teóricas mantenidas durante mucho tiempo sobre la formación de los objetos gravitacionalmente ligados más grandes del Universo“.
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 esta“, afirma Mario Nonino, coautor del estudio e investigador del Observatorio Astronómico de Trieste. El ELT y sus instrumentos de última generación, como HARMONI y MICADO, podrá observar los protocúmulos y revelarnos más sobre las galaxias que contienen 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 temprano.
