Velocidades sorprendentes reveladas en una monumental colisión de cúmulos de galaxias

El concepto de este artista muestra lo que sucedió cuando dos cúmulos masivos de galaxias, conocidos colectivamente como MACS J0018.5, colisionaron: la materia oscura en los cúmulos de galaxias (azul) navegó por delante de las nubes asociadas de gas caliente o materia normal (naranja). Tanto la materia oscura como la normal sienten la atracción de la gravedad, pero sólo la materia normal experimenta efectos adicionales, como choques y turbulencias, que la ralentizan durante las colisiones. Crédito: Observatorio WM Keck/Adam Makarenko

Los astrónomos han observado una colisión única entre dos grupos de galaxias, revelando cómo la materia oscura y la materia normal se separan durante tales encuentros.

Utilizando una combinación de telescopios avanzados y técnicas de observación, incluido el efecto SZ, los investigadores rastrean las velocidades desacopladas de la materia oscura y normal. El estudio mejora nuestra comprensión de la misteriosa naturaleza de la materia oscura y sienta las bases para futuras investigaciones.

Desacoplamiento de la materia oscura en los cúmulos de galaxias

Los astrónomos han descubierto una colisión desconcertante entre dos enormes cúmulos de galaxias en la que las vastas nubes de materia oscura de los cúmulos se han desacoplado de la llamada materia normal. Cada uno de ambos cúmulos contiene miles de galaxias y se encuentran a miles de millones de años luz de la Tierra. A medida que se separaron, la materia oscura (una sustancia invisible que siente la fuerza de la gravedad pero no emite luz) superó a la materia normal. Las nuevas observaciones son las primeras en investigar directamente el desacoplamiento de las velocidades de la materia oscura y la normal.

Pegados entre sí por la fuerza de la gravedad, los cúmulos de galaxias se encuentran entre las estructuras más grandes del universo. Sólo el 15 por ciento de la masa de esos cúmulos es materia normal, la misma materia que forma los planetas, las personas y todo lo que ves a tu alrededor. De esta materia normal, la gran mayoría es gas caliente, mientras que el resto son estrellas y planetas. El 85 por ciento restante de la masa del cúmulo es materia oscura.

La animación de este artista muestra una colisión entre dos grandes cúmulos de galaxias. A medida que avanza la colisión, la materia oscura de los cúmulos de galaxias (azul) avanza desde las nubes asociadas de gas caliente o materia normal (naranja). Crédito de animación: Observatorio WM Keck/Adam Makarenko

Dinámica de colisión e interacción de la materia

Durante la agitación entre los cúmulos, el colectivo conocido como MACS J0018.5+1626, las galaxias individuales salieron en gran medida ilesas porque hay mucho espacio entre ellas. Pero cuando las enormes reservas de gas entre las galaxias (materia normal) chocaron, el gas se volvió turbulento y sobrecalentado. Si bien toda la materia, incluida tanto la materia normal como la oscura, interactúa a través de la gravedad, la materia normal también interactúa a través del electromagnetismo, que la ralentiza durante una colisión. Así, mientras la materia normal quedaba rodeada, los charcos de materia oscura de cada grupo avanzaban.

Emily Silich. Crédito: Caltech

Piense en una colisión masiva entre varios camiones volquete que transportan arena, sugiere Emily Silich, autora principal de un nuevo estudio que describe los hallazgos en el Diario astrofísico. «La materia oscura es como arena y vuela hacia adelante». Silich es un estudiante de posgrado que trabaja con Jack Sayers, profesor investigador de física en Caltech e investigador principal del estudio.

Metodología de investigación y conocimientos de observación

El descubrimiento se realizó utilizando datos del Observatorio Submilimétrico Caltech (que recientemente fue retirado de su sitio en Maunakea en Hawaii y será reubicado en Chile), el Observatorio WM Keck en Maunakea, NASAEl Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA telescopio espacial Hubbleel Agencia Espacial Europeael Observatorio Espacial Herschel y el Observatorio Planck, ahora retirados (cuyos centros científicos afiliados a la NASA estaban ubicados en el IPAC de Caltech), y el Experimento del Telescopio Submilimétrico de Atacama en Chile. Algunas de las observaciones se realizaron hace décadas, mientras que el análisis completo utilizando todos los conjuntos de datos se realizó en los últimos años.

Análisis comparativo con Bullet Cluster

Este desacoplamiento de la materia oscura y normal se ha visto antes, el más famoso en el Bullet Cluster. En esa colisión, el gas caliente se puede ver claramente detrás de la materia oscura después de que los dos grupos de galaxias se separaron. La situación que ocurrió en MACS J0018.5+1626 (posteriormente llamado MACS J0018.5) es similar, pero la orientación de la fusión está rotada, aproximadamente 90 grados en relación con la del Bullet Cluster. En otras palabras, uno de los cúmulos masivos de MACS J0018.5 vuela casi directamente hacia la Tierra mientras el otro huye. Esa orientación dio a los investigadores un punto de vista único desde el cual, por primera vez, trazar la velocidad tanto de la materia oscura como de la materia normal y aclarar cómo se separan entre sí durante una colisión de cúmulos de galaxias.

Jack Sayers explica la geometría de la colisión del cúmulo de galaxias. Crédito: Caltech

«Con Bullet Cluster, es como estar sentado en las gradas viendo una carrera de autos y poder capturar hermosas fotografías de los autos moviéndose de izquierda a derecha inmediatamente», dice Sayers. «En nuestro caso, es más como estar en el primero con un radar, pararnos delante de un coche que viene hacia nosotros y poder calcular su velocidad».

Medición de las velocidades de la materia mediante el efecto SZ.

Para medir la velocidad de la materia normal, o gas, en el cúmulo, los investigadores utilizaron un método de observación conocido como efecto cinético Sunyaev-Zel’dovich (SZ). Sayers y sus colegas hicieron la primera detección observacional del efecto cinético SZ en un objeto cósmico individual, un cúmulo de galaxias llamado MACS J0717, allá por 2013, utilizando datos de CSO (las primeras observaciones del efecto SZ tomadas por MACS J0018.5 datan de 2013). hasta 2006).

El efecto cinético SZ ocurre cuando los fotones del universo temprano, el fondo cósmico de microondas (CMB), dispersan electrones en el gas caliente en su camino hacia nosotros en la Tierra. Los fotones sufren un desplazamiento, llamado desplazamiento Doppler, debido a los movimientos de los electrones en las nubes de gas a lo largo de nuestra línea de visión. Al medir el cambio en el brillo del CMB debido a este cambio, los investigadores pueden determinar la velocidad de las nubes de gas dentro de los cúmulos de galaxias.

Este extracto de poema, escrito por Emily Silich, una estudiante graduada en astronomía de Caltech, se inspiró en sus estudios sobre las colisiones entre grandes cúmulos de galaxias. De hecho, lo escribió durante muchas horas mientras su análisis de simulaciones de colisiones de cúmulos de galaxias se ejecutaba en cientos de núcleos de computadora.

t = cero:
partículas inicializadas,
gas definido como aire.

Dipolos opuestos
compartir como aliento lívido
sin sus accidentes.

De color magma,
desacoplándose de sí mismo en
giros tumultuosos

a partir de teselados.
Una cuestión de memoria
no esencial para

eras definidas por
algún momento en otro momento;
Pase paralelo.

El poema completo fue publicado como parte de una colección en Antología de la revista de poesía Altadena.

El papel de los observatorios avanzados y las perspectivas futuras

«Los efectos Sunyaev-Zeldovich todavía eran una herramienta de observación muy nueva cuando Jack y yo enfocamos por primera vez la nueva cámara del CSO en cúmulos de galaxias en 2006, y no teníamos idea de que se producirían tales descubrimientos», dice Sunil Golwala, profesor de física y Asesor de doctorado de la facultad de Silich. «Esperamos una gran cantidad de nuevas sorpresas cuando coloquemos instrumentos de próxima generación en el telescopio en su nuevo hogar en Chile».

Hasta 2019, los investigadores habían realizado estas mediciones cinéticas de SZ en varios grupos de galaxias, a las que llamaron velocidad del gas o materia normal. También utilizaron Keck para conocer la velocidad de las galaxias en el cúmulo, lo que les indicó por proxy la velocidad de la materia oscura (porque la materia oscura y las galaxias se comportan de la misma manera durante una colisión). Pero en esta etapa de la investigación, el equipo tenía una comprensión limitada de las orientaciones de los grupos. Sólo sabían que uno de ellos, MACS J0018.5, mostraba signos de que algo extraño estaba sucediendo: gas caliente, o materia normal, viajaba en dirección opuesta a la materia oscura.

Desafíos y avances en la comprensión de la materia oscura

«Teníamos este bicho raro con velocidades en direcciones opuestas, y al principio pensamos que podría ser un problema con nuestros datos. Incluso nuestros colegas que simulan cúmulos de galaxias no sabían lo que estaba pasando», dice Sayers. «Y entonces Emily entendió involucrados y descargados.»

Como parte de su tesis doctoral, Silich abordó el problema MACS J0018.5. Recurrió a datos del Observatorio de rayos X Chandra para revelar la temperatura y la ubicación del gas en los cúmulos, así como el grado en que el gas estaba siendo impactado. “Estas colisiones de cúmulos son los fenómenos más energéticos jamás vistos Big Bang”, dice Silich. «Chandra mide las temperaturas extremas del gas y nos informa sobre la edad de la fusión y cuán recientemente colisionaron los cúmulos». El equipo también trabajó con Adi Zitrin de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel para utilizar los datos del Hubble para mapear la materia oscura mediante un método conocido como lentes gravitacionales.

Además, John ZuHone del Centro de Astrofísica de Harvard & Smithsonian ayudó al equipo a simular la desintegración del cúmulo. Estas simulaciones se utilizaron junto con datos de varios telescopios para determinar en última instancia la geometría y la etapa evolutiva del encuentro del cúmulo. Los científicos descubrieron que, antes de la colisión, los cúmulos se acercaban entre sí a unos 3.000 kilómetros por segundo, lo que equivale aproximadamente al uno por ciento de la velocidad de la luz.

Con una imagen más completa de lo que estaba sucediendo, los investigadores pudieron comprender por qué la materia oscura y la materia normal parecían viajar en direcciones opuestas. Aunque los científicos dicen que es difícil de ver, la orientación de la colisión, junto con el hecho de que la materia oscura y la materia normal estaban separadas entre sí, explican la extraña medición de la velocidad.

Conclusión y direcciones futuras de investigación

En el futuro, los investigadores esperan que más estudios como este conduzcan a nuevas pistas sobre la misteriosa naturaleza de la materia oscura. «Este estudio es un punto de partida para estudios más detallados sobre la naturaleza de la materia oscura», afirma Silich. «Tenemos un nuevo tipo de sonda directa que muestra cómo la materia oscura se comporta de manera diferente a la materia normal».

Sayers, que recuerda haber recopilado por primera vez datos de las OSC sobre este objeto hace casi 20 años, dice: «Nos llevó mucho tiempo juntar todas las piezas del rompecabezas, pero ahora finalmente sabemos qué está pasando». Esperamos que esto conduzca a una forma completamente nueva de estudiar la materia oscura en cúmulos».

Referencia: «ICM-SHOX. I. Descripción general de la metodología y detección del desacoplamiento de la velocidad del gas y la materia oscura en MACS J0018.5+1626 Merger” por Emily M. Silich, Elena Bellomi, Jack Sayers, John ZuHone, Urmila Chadayamuri, Sunil Golwala, David Hughes, Alfredo Montaña , Tony Mroczkowski, Daisuke Nagai, David Sánchez-Argüelles, SA Stanford, Grant Wilson, Michael Zemcov y Adi Zitrin, 12 de junio de 2024, La revista astrofísica.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad3fb5

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Beca de Graduado Wallace LW Sargent en Caltech, el Centro de Rayos X Chandra, la Fundación Binacional de Ciencias Estados Unidos-Israel, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Israel, el AtLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope), y el Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Tecnologías.