Observado el nacimiento de un remoto cúmulo de galaxias del universo temprano

Los cúmulos de galaxias son algunos de los objetos más grandes conocidos del universo y, como su nombre indica, albergan una gran cantidad de galaxias, a veces incluso miles. Entre ellas se extiende el llamado medio intracúmulo (ICM, por sus siglas en inglés) de gas, que se expande 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, 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, investigador de la Universidad de Trieste (Italia) y primer autor de un estudio que se publica esta semana en 'Nature', buscaba detectar este medio introcúmulo 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 y llamado así por estar alrededor de la galaxia Telaraña (formalmente conocida como MRC 1138-262).

A pesar de ser el protocúmulo más estudiado, la detección del ICM había sido infructuosa. Encontrar una gran reserva de gas caliente en este protocúmulo indicaría que el sistema está camino de convertirse en un duradero y estable cúmulo de galaxias en lugar de dispersarse.

El efecto térmico Sunyaev-Zeldovich

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. El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) lo operan el Observatorio Europeo Austral (ESO) y otras instituciones en Chile.

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 Telaraña 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.

Referencia:

Luca Di Mascolo et al. 'Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16'. 'Nature', 2023.