Los astrónomos exploran el «equilibrio cósmico» para pesar los cúmulos de galaxias

Un equipo formado por investigadores del El Observatorio Nacional, en Río de Janeiro, y el Fermilab, en los Estados Unidos, desarrollaron un “balance cósmico” para medir la masa de los cúmulos de galaxias, que son algunas de las estructuras más grandes del Universo.

El nuevo método usa la luz de las estrellas desgarradas – es decir, que no pertenecen a ninguna galaxia y están solos en el espacio entre ellos – para calcular la distribución de masa en los cúmulos (que incluye la masa indetectable correspondiente a la materia oscura).

Los cúmulos de galaxias son las estructuras más grandes conectadas por gravedad en el Universo. Medir su masa es una misión importante para muchos esfuerzos astrofísicos, pero no es una broma, sobre todo porque es difícil determinar dónde comienza y dónde termina un grupo.

Los astrónomos involucrados participan en el Encuesta de energía oscura (literalmente, «levanking dark energy ”), una colaboración internacional que utiliza un telescopio de 4 m de diámetro ubicado en Chile, equipado con una cámara de 570 megapíxeles, el DECam.

(Puede conocer mejor DES y su súper cámara leyendo el perfil de la astrofísica de Espírito Santo Marcelle Soares-Santos aquí en súper. Es una parte clave de este proyecto).

Inicialmente, el equipo estaba estudiando la llamada luz intra-cúmulo (ICL): un tipo de luz muy débil que proviene del interior de los cúmulos de galaxias. Esta luz es generada por estrellas extraviadas, esos soles ya mencionados que no pertenecen a ninguna galaxia y flotan libremente a través del espacio intergaláctico.

Lo más probable es que estas estrellas terminen fuera de las galaxias debido a interacciones gravitacionales entre ellas. «Las galaxias están en movimiento en el cúmulo de galaxias ”, explica Ricardo Ogando, astrofísico del Observatorio Nacional que dirigió el estudio.

«De vez en cuando, estas galaxias pasan muy cerca unas de otras y luego una galaxia» tira «de una estrella entre sí a través de una atracción gravitacional. Por tanto, están sueltos en el espacio entre galaxias ”.

(Algunas hipótesis proponen que estas estrellas pueden formar ya separados de galaxias, pero este es un escenario menos probable).

En el nuevo estudio, los investigadores revelan la medición más detallada de la ICL jamás publicada. Además de considerar más de 500 cúmulos, incluyeron mediciones de regiones alejadas de los centros de los cúmulos, donde la luz de las estrellas perdidas tiende a enfocarse. – y por lo tanto es más fácil (o un poco menos difícil) medir ICL.

Pesando galaxias a través de la luz

El estudio, publicado en la revista Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, dio un paso más. Después de medir la intensidad y distribución de la luz dentro del grupo, los investigadores midieron la distribución de masa en estos grupos utilizando un método llamado lentes gravitacionales.

El método funciona así: todas las cosas con masa hunden el tejido del espacio-tiempo – de una manera similar a la hundes el sofá cuando te sientas. Cuanto mayor sea la masa, mayor será la distorsión.

Cuando la luz que proviene de un punto lejano pasa por el medio de un cúmulo de galaxias, su trayectoria es alterada por esta zanja que forma el cúmulo en la trama del cosmos. La intensidad y las características de esta distorsión permiten calcular la distribución de masa.

Luego, los astrónomos compararon la distribución de masa, calculada con lentes gravitacionales, con la distribución radial de la luz de las estrellas solitarias, la ICL. reistribuição radial se refiere a cómo varía la cantidad de ICL desde el centro del grupo hasta las puntas (radial proviene de «radio», el radio de una esfera).

Los resultados mostraron que existe una relación muy estrecha entre estos dos datos. En otras palabras: puedes “pesar” un cúmulo de galaxias y estimar la distribución de su masa a partir de la observación de la luz emitida por sus estrellas solitarias.

Lo más interesante es que esta relación es válida tanto para la materia ordinaria -la formada por átomos y partículas que conocemos bien- como para la materia oscura, una forma de materia enigmática y fantasmal que es indetectable por cualquier medio conocido.

Sabemos que la materia bariónica, la que te forma, un grano de arroz, el Sol y todo lo que conocemos, es equivalente a solo el 15% de la masa total del Universo. El otro 85% está formado por materia oscura.

Solo sabemos que la materia oscura existe debido a sus efectos gravitacionales, como curvar el espacio-tiempo y cambiar la trayectoria de los rayos de luz, por ejemplo.

El nuevo método desarrollado por el equipo ayuda a comprender cómo se distribuye entre los cúmulos de galaxias y puede dar pistas para desentrañar el misterio de este componente invisible que nos rodea.

La «escala» basada en la luz creada por los investigadores no es el primer método para pesar los cúmulos de galaxias o para estimar la distribución de la materia oscura dentro de ellos. El problema es que los métodos actuales son costosos, complejos y no siempre precisos. La combinación de varias técnicas ayuda a aumentar la precisión de estos estudios.

El otro misterio

Medir la masa de estos cúmulos también es importante para desentrañar otro misterio, que, a pesar del nombre similar, es bastante diferente de la materia oscura: energía oscura.

Esta energía desconocida es, con mucho, la protagonista de la composición del Universo: forma el 68% del contenido total de masa y energía del cosmos, mientras que la materia oscura corresponde al 27%, y la materia que conocemos equivale a solo 5 %.

Nadie lo sabe con seguridad Qué esa energía es, pero sabemos que es responsable del fenómeno de la expansión acelerada del Universo. «En en cierto sentido, [a energia escura] tiende a mantener las cosas alejadas ”, explica Ogando. Ella está en un eterno tira y afloja con la gravedad, que quiere que todo esté cerca.

«La fuerza de la gravedad es una fuerza interactiva, por lo que forma estrellas, forma galaxias y forma cúmulos de galaxias. Podemos calcular esta disputa entre la energía oscura, que se expande rápidamente en el Universo, y la gravedad, que aglomera las cosas. Hacemos esto mirando los grupos «.

Los algomeratos son estructuras inmensas. Están sujetos a la severidad de sus componentes, lo que tiende a mantenerlos unidos. Pero también están sujetos a la expansión del Universo, que intenta separarlos.

«Si la energía oscura está ganando, la tendencia es que se formen menos grupos o grupos menos masivos», dice Ogando. Por otro lado, «si la gravedad está ganando esta disputa, hay una tendencia a que se formen más conglomerados y a que sean más masivos».

Por lo tanto, los métodos confiables para calcular la masa de los cúmulos no solo son importantes para estudiar los algomerados en sí mismos, sino también para responder algunas preguntas centrales de la cosmología: ¿por qué se expande el cosmos? ¿A qué ritmo, exactamente, se produce esta expansión? ¿Continuará por siempre?