Un equipo de astrónomos observa el nacimiento de un cúmulo muy distante de galaxias del universo temprano
Comunicados de Prensa

Un equipo de astrónomos observa el nacimiento de un cúmulo muy distante de galaxias del universo temprano

29 Marzo, 2023 / Tiempo de lectura: 11 minutes

Artículo científico

Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), 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.

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.

Información adicional

Este trabajo de investigación fue presentada en el artículo "Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16", que aparece en Nature (doi: 10.1038/s41586-023-05761-x).

El equipo está compuesto por Luca Di Mascolo (Unidad de Astronomía, Universidad de Trieste, Italia [UT]; INAF – Observatorio Astrofísico de Trieste, Italia [INAF Trieste]; IFPU – Instituto de Física Fundamental del Universo, Italia [IFPU]); Alexandro Saro (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN – Sede de Trieste, Italia [INFN]); Tony Mroczkowski (Observatorio Europeo Austral, Alemania [ESO]); Stefano Borgani (UT; INAF Trieste; IFPU; INFN); Eugene Churazov (Instituto Max-Planck de Astrofísica, Alemania; Instituto de Investigaciones Espaciales, Rusia); Elena Rasia (INAF Trieste; IFPU); Paolo Tozzi (INAF – Observatorio Astrofísico de Arcetri, Italia); Helmut Dannerbauer (Instituto de Astrofísica de Canarias, España; Universidad de La Laguna, España); Kaustuv Basu (Instituto Argelander de Astronomía, Universidad de Bonn, Alemania); Christopher L. Carilli (Observatorio Nacional de Radioastronomía, EE.UU.); Michele Ginolfi (ESO; Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Florencia, Italia); George Miley (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Países Bajos); Mario Nonino (UT); Maurilio Pannella (UT; INAF Trieste; IFPU); Laura Pentericci (INAF – Observatorio Astronómico de Roma, Italia); Francesca Rizzo (Centro Cosmic Dawn, Dinamarca; Instituto Niels Bohr, Dinamarca).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán (NSTC), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Observatorio Conjunto ALMA (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Europeo Austral (ESO), socio de ALMA en nombre de Europa.

Imágenes

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” (ICM). El gas caliente del 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 remanente del Big Bang) viaja a través del ICM, gana energía cuando interactúa con los electrones del gas caliente. Esto se conoce como el efecto Sunyaev-Zeldovich. Al estudiar este efecto, la comunidad astronómica puede inferir cuánto gas caliente hay en el ICM y mostrar que el protocúmulo Telaraña está en proceso de convertirse en un cúmulo masivo unido por su propia gravedad. Crédito: ESO/Di Mascolo et al.; HST: H. Ford
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” (ICM). El gas caliente del ICM se muestra como una nube azul superpuesta. El gas caliente se detectó con ALMA. A medida que la luz del fondo cósmico de microondas (la radiación remanente del Big Bang) viaja a través del ICM, gana energía cuando interactúa con los electrones del gas caliente. Esto se conoce como el efecto Sunyaev-Zeldovich. Al estudiar este efecto, la comunidad astronómica puede inferir cuánto gas caliente hay en el ICM y mostrar que el protocúmulo Telaraña está en proceso de convertirse en un cúmulo masivo unido por su propia gravedad. Crédito: ESO/Di Mascolo et al.; HST: H. Ford
Esta imagen muestra el protocúmulo que rodea a la galaxia Telaraña (formalmente conocida como MRC 1138-262). La luz que vemos en la imagen muestra galaxias en un momento en que el universo tenía solo 3 000 millones de años. La mayor parte de la masa del protocúmulo no se encuentra en las galaxias, sino en el gas conocido como el “medio intracúmulo”. Debido a la masa del gas, el protocúmulo está en proceso de convertirse en un cúmulo masivo unido por su propia gravedad. Crédito: ESO/H. Ford
Esta imagen muestra el protocúmulo que rodea a la galaxia Telaraña (formalmente conocida como MRC 1138-262). La luz que vemos en la imagen muestra galaxias en un momento en que el Universo tenía solo 3 000 millones de años. La mayor parte de la masa del protocúmulo no se encuentra en las galaxias, sino en el gas conocido como el “medio intracúmulo”. Debido a la masa del gas, el protocúmulo está en proceso de convertirse en un cúmulo masivo unido por su propia gravedad. Crédito: ESO/H. Ford
Esta imagen es una composición de color hecha a partir de las exposiciones del sondeo Digitized Sky Survey 2 (DSS2). El campo de visión es de 2,8 x 2,9 grados. Crédito: Digitized Sky Survey 2 and ESA/Hubble. ESA/Hubble and Digitized Sky Survey 2. Acknowledgement: Davide De Martin (ESA/Hubble)
Esta imagen es una composición de color hecha a partir de las exposiciones del sondeo Digitized Sky Survey 2 (DSS2). El campo de visión es de 2,8 x 2,9 grados. Crédito: Digitized Sky Survey 2 and ESA/Hubble. ESA/Hubble and Digitized Sky Survey 2. Agradecimientos: Davide De Martin (ESA/Hubble)

Videos

Usando ALMA, un equipo de astrónomos y astrónomas ha detectado una gran reserva 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. Esto revela aún con mayor detalle cuán temprano comienzan a formarse estas estructuras.
Crédito: ESO
Esta animación muestra cómo los fotones (partículas de luz) interactúan con el gas caliente en el distante protocúmulo que hay alrededor de la galaxia Telaraña.
Los fotones del fondo cósmico de microondas (la radiación remanente del Big Bang) se representan como rayas de luz amarillo-rojizas que atraviesan el espacio en direcciones aleatorias. Las galaxias están incrustadas en una nube masiva de plasma, con electrones libres moviéndose rápidamente en su interior.
Los fotones del fondo cósmico de microondas interactúan con los electrones en el gas caliente, ganando un poco de energía a medida que lo hacen. Como resultado, su longitud de onda o "color" cambia ligeramente, mostrada aquí como líneas azules. Esto se denomina efecto Sunyaev-Zeldovich y, utilizando ALMA, un equipo de astrónomos y astrónomas lea usado este efecto para estudiar la distribución del gas caliente que hay dentro del protocúmulo Telaraña. La distribución medida del gas caliente se muestra al final de la animación como una nube azul superpuesta sobre el campo de fondo de las galaxias.
Crédito: ESO/L. Calçada; Di Mascolo et al.; HST: H. Ford
Este video de una representación artística nos muestra la formación de un cúmulo de galaxias en el universo temprano. Las galaxias están formando nuevas estrellas de forma muy activa e interactúan unas con otras. Esta escena se asemeja mucho a la Galaxia Telaraña (formalmente conocida como MRC 1138-262) y sus alrededores, uno de los protocúmulos que se ha estudiado con mayor detalle.
Crédito: ESO/M. Kornmesser

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