El protosupercúmulo de galaxias más antiguo
COSMOLOGÍA / ASTRONOMÍA.
Los cúmulos de galaxias figuran entre las estructuras más masivas del universo que se mantienen unidas por la gravedad.
Estas agrupaciones colosales, que abarcan desde cientos hasta miles de galaxias, se extienden a lo largo de millones de años-luz. Se mantienen unidas por grandes concentraciones de materia oscura, que constituye el elemento fundamental de la estructura del universo.
En esta imagen se observa el protosupercúmulo de galaxias recién descubierto denominado COSMOS-z3.1-A. Foto: CTIO / NOIRLab / DOE / NSF / AURA. Procesamiento de imagen: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage / NSF NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF NOIRLab). CC BY.
Los cúmulos que los científicos observan relativamente cerca de nosotros en el espacio y en el tiempo son estructuras maduras que evolucionaron a partir de lo que se conoce como “protocúmulos”. Estos protocúmulos son enormes agrupaciones de galaxias, unidas de forma poco compacta, que se encuentran en proceso de congregación, pero que aún no se han estabilizado en un cúmulo. Al estudiar protocúmulos muy lejanos que se formaron cuando el universo era relativamente joven, es factible averiguar cómo crecieron y evolucionaron los actuales cúmulos de galaxias que observamos hoy.
Con este objetivo, un extenso equipo internacional, integrado, entre otros, por Vandana Ramakrishnan, de la Universidad Purdue en Estados Unidos, y Maria Celeste Artale, de la Universidad Andrés Bello, en Chile, escrutó zonas muy lejanas del universo, remontándose así miles de millones de años en el pasado, para buscar estos antiguos progenitores de los cúmulos de galaxias.
“Con este proyecto, esperamos comprender el crecimiento de las estructuras masivas del universo y cómo influyen en la evolución de las galaxias que las componen. También esperamos comprender mejor cómo estos protocúmulos están conectados con la red cósmica más amplia”, explica Ramakrishnan.
Su estudio utilizó datos del cartografiado “One-hundred-deg2 DECam Imaging in Narrowbands” (ODIN, por sus siglas en inglés). Este cartografiado se realizó con la Cámara de Energía Oscura (DECam), fabricada por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), instalada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros que la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) de Estados Unidos tiene emplazado en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO) en Chile, un Programa del NOIRLab de la NSF. Gracias a su amplio campo de visión y a su resolución de 570 megapíxeles, la DECam dedicó más de 100 noches durante los últimos tres años a captar imágenes profundas de una enorme área del cielo del hemisferio sur.
En total, el equipo identificó 150 protocúmulos distantes que se formaron cuando el universo tenía entre 1.000 y 3.000 millones de años. Centraron su atención en dos cúmulos que presentaban una llamativa sobredensidad de galaxias, denominados COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C. El cartografiado ODIN proporcionó las coordenadas bidimensionales de la ubicación de estas estructuras en el cielo. Sin embargo, para comprender realmente su distribución galáctica y cómo encajan en la red cósmica a gran escala, es necesaria una perspectiva tridimensional.
Para cartografiar estas estructuras en 3D, el equipo recurrió a espectrógrafos. A diferencia de una imagen bidimensional del cielo, los espectrógrafos analizan las propiedades de la luz para, entre otras cosas, medir la distancia a los objetos astronómicos, permitiendo a los científicos determinar su posición en tres dimensiones.
La mayoría de los espectros utilizados en este estudio se obtuvieron con el Instrumento Espectroscópico para el estudio de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés), un potente espectrógrafo multiobjetos capaz de medir simultáneamente las distancias a 5000 galaxias diferentes. El instrumento se construyó con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) y socios internacionales, y funciona gracias al financiamiento del DOE. El proyecto DESI es administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab). El instrumento está instalado en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros de la NSF, ubicado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO) en Arizona, un programa del NOIRLab de la NSF.
El equipo obtuvo espectros adicionales utilizando el Espectrógrafo Multiobjetos de Gemini (GMOS) en el telescopio Gemini Sur en Chile, una de las dos instalaciones del Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la NSF y operado por el NOIRLab, así como el DEep Imaging Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) en el telescopio Keck II, ubicado en Maunakea, en Hawái.
Este estudio es uno de los primeros en crear mapas 3D tan detallados de múltiples protocúmulos de galaxias distantes. Los mapas permitieron al equipo predecir en qué tipo de cúmulos deben haberse convertido COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C. Descubrieron que ambos deben haber acabado siendo más masivos que el cúmulo de galaxias más grande conocido en nuestro universo local, el Cúmulo de Coma.
Además, determinaron que COSMOS-z3.1-A es algo aún más raro que un protocúmulo, que ya de por sí es bastante raro. Se trata de un protosupercúmulo, es decir, el antepasado de un “cúmulo de cúmulos” de galaxias. Observado cuando el universo tenía apenas 2100 millones de años, se trata del protosupercúmulo más antiguo y lejano de entre todos los encontrados, y cuenta con una impresionante masa equivalente a 5000 veces la de la Vía Láctea.
Animación en la que nos acercamos hasta el protosupercúmulo de galaxias más distante conocido:
Animación en 3D que muestra la estructura aproximada del protosupercúmulo de galaxias más distante conocido:
A partir de sus detallados mapas en 3D, el equipo concluye que estos antiguos protocúmulos son muy grumosos e irregulares, y que se encuentran en las intersecciones de múltiples filamentos de la red cósmica. Es la primera vez que se consigue observar directamente estas estructuras en el universo lejano y arcaico, y las observaciones coinciden con las expectativas de los científicos sobre cómo se distribuye la materia por el cosmos.
Los modelos teóricos actuales sugieren que la formación de estructuras se produce de manera “ascendente”, es decir, las estructuras más pequeñas se forman primero y se fusionan para dar lugar a otras más grandes. Es probable que la subestructura grumosa que se observa en los mapas tridimensionales sea una prueba de este crecimiento ascendente. Los grumos se irán fusionando a medida que evolucionen los protocúmulos, dando lugar a cúmulos similares a los que vemos en nuestro sector del universo, que tienen formas mucho más redondeadas.
Gracias a su amplio campo de visión y profundidad, ODIN se encuentra en una posición idónea para descubrir más de estas enormes estructuras cósmicas en el universo lejano. “La metodología de reconstrucción tridimensional presentada en este trabajo será un componente vital de estos esfuerzos, lo que nos permitirá distinguir claramente los núcleos y las periferias de los protocúmulos, así como los filamentos cósmicos que los alimentan”, afirma Ramakrishnan.
El equipo espera realizar más descubrimientos en la próxima década, a medida que el Observatorio Vera C. Rubin de la NSF y del DOE lleve a cabo su innovadora Investigación. Al captar imágenes de todo el cielo del hemisferio sur en unas pocas noches, Rubin creará un extenso conjunto de datos que complementará las imágenes profundas de ODIN de la región del cielo que ambos cartografiados tienen en común. En conjunto, los datos ofrecerán una visión profunda del universo cercano y lejano, lo que permitirá estudiar la evolución de los cúmulos de galaxias a lo largo del tiempo cósmico.
El estudio se titula “ODIN: Characterizing the Three-dimensional Structure of Two Protocluster Complexes at z = 3.1”. Y se ha publicado en la revista académica The Astrophysical Journal. (Fuente: Association of Universities for Research in Astronomy / Carolina Vargas).
Sitio Fuente: NCYT de Amazings