Ven nacer un cúmulo muy distante de galaxias del universo temprano

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 medio intracúmulo.

Anteriormente, el medio intracúmulo solo se había estudiado en cúmulos de galaxias cercanos completamente formados. Se sabía que lograr detectar el medio intracúmulo en un protocúmulo (es decir, un cúmulo de galaxias aún en formación) situado a gran distancia, permitiría a la comunidad astronómica averiguar muchas cosas sobre la evolución temprana de dichos cúmulos de galaxias.

Ahora, se ha conseguido por fin dicha detección.

Utilizando el observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), del cual el Observatorio Europeo Austral (ESO) es socio, un equipo internacional ha descubierto un gran reservorio de gas caliente en el cúmulo de galaxias aún en formación que se encuentra alrededor de la galaxia Telaraña. Se trata de la detección más distante de este tipo de gas caliente hasta la fecha.

El equipo lo ha dirigido Luca Di Mascolo, de la Universidad de Trieste en Italia.

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 medio intracúmulo 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 vez de dispersarse.

El equipo de Di Mascolo detectó el medio intracúmulo 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 medio intracúmulo. 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 cartografiar 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.

Los autores del estudio 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 en 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.

Esta imagen muestra el protocúmulo que se encuentra alrededor de la galaxia Telaraña (formalmente conocida como MRC 1138-262), visto en un momento en el que el universo tenía solo 3.000 millones de años. La mayor parte de la masa del protocúmulo no se encuentra en las galaxias que se pueden ver en el centro de la imagen, sino en el gas conocido como el “medio intracúmulo”. El gas caliente del medio intracúmulo se muestra como una nube azul superpuesta. (Imagen: ESO / Di Mascolo et al. / HST / H. Ford)

Tony Mroczkowski, coautor del estudio e investigador del 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 el ALMA y el futuro ELT (Extremely Large Telescope) del ESO, que "revolucionará el estudio de estructuras como esta", afirma Mario Nonino, coautor del estudio e investigador del Observatorio Astronómico de Trieste. El ELT, con 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 del ALMA para rastrear el medio intracúmulo en formación, esto proporcionará una visión crucial del ensamblaje de algunas de las estructuras más grandes del universo temprano.

En el estudio también ha participado Helmut Dannerbauer, del Instituto de Astrofísica de Canarias en España.

El estudio se titula "Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16". Y se ha publicado en la revista académica Nature. (Fuente: ESO. CC BY 4.0)