XMM-Newton descubre filamentos cósmicos cerca de un gran cúmulo

El cúmulo de galaxias Abell 2744. Crédito: ESA/XMM-Newton (rayos X); ESO/WFI (óptico); NASA/ESA y CFHT (materia oscura).

El observatorio espacial XMM-Newton ha descubierto tres inmensos filamentos por los que fluye gas caliente hacia un gran cúmulo de galaxias, revelando parte del esqueleto cósmico que permea el Universo.

Las galaxias tienden a agruparse formando grandes aglomerados conocidos como cúmulos, que son las estructuras cósmicas más grandes cohesionadas por la fuerza de la gravedad. Estas agrupaciones contienen galaxias, gas caliente y una gran cantidad de materia oscura.

A gran escala, las galaxias y los cúmulos parecen estar enlazados por una gigantesca red de filamentos cósmicos, en cuyos nudos de mayor densidad se sitúan las estructuras más masivas.

Las simulaciones indican que la red cósmica, formada mayoritariamente de materia oscura con un poco de materia ordinaria, conforma la estructura a modo de andamio sobre la que se forman y evolucionan las estrellas, las galaxias y los cúmulos.

En las últimas décadas los astrónomos han logrado distinguir la estructura de la red cósmica en la distribución macroscópica de las galaxias, y detectaron indicios de que el gas difuso sigue un orden similar.

Un nuevo estudio basado en los datos recogidos por el observatorio de rayos X de la ESA, XMM-Newton, ha descubierto una serie de filamentos que fluyen hacia uno de los cúmulos más masivos del Universo, lo que constituye la primera detección inequívoca de la presencia de gas en la red cósmica.

“Nos encontramos ante un descubrimiento totalmente inesperado, pero muy gratificante”, reconoce Dominique Eckert de la Universidad de Ginebra, Suiza, autor principal del artículo que presenta estos resultados.

El estudio se basa en las observaciones de Abell 2744, un objeto apodado como el “Cúmulo de Pandora” debido a su compleja y enmarañada estructura. Abell 2744 agrupa al menos a otros cuatro cúmulos de menor tamaño en proceso de fusión.

“Sabíamos que Abell 2744 era un cúmulo increíblemente masivo con una intensa actividad en su núcleo. El descubrir que presenta una conexión directa con la red cósmica respalda nuestras teorías sobre cómo se formaron las estructuras del Universo”, añade Eckert.

Cuatro cúmulos masivos de galaxias (en blanco y púrpura) en la red cósmica. Imagen extraída de una simulación. Crédito: K. Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität München.

Los astrónomos han detectado cinco grandes estructuras de gas caliente que parecen estar conectadas con el núcleo de Abell 2744, tras analizar los datos recogidos sobre este objeto por XMM-Newton durante 30 horas de observación en diciembre de 2014.

Al comparar estos datos en la banda de los rayos X con observaciones ópticas, se pudieron identificar las galaxias que pertenecen a cada uno de los filamentos. De esta forma se descubrió que tres de ellos están físicamente conectados con el cúmulo, mientras que los otros dos se encuentran en un segundo plano.

Al igual que el cúmulo de galaxias, los filamentos también contienen una gran cantidad de materia oscura. Los astrónomos han sido capaces de simular su distribución al estudiar el efecto de lente gravitacional que ejerce sobre galaxias más remotas: su concentración de masa curva la trayectoria de la luz procedente de los objetos en segundo plano, amplificando su brillo y retorciendo sus formas.

“Empezamos estudiando el núcleo interior de Abell 2744 con el Telescopio Espacial Hubble, con la intención de utilizar este cúmulo como una potente lupa y así poder detectar galaxias más remotas demasiado tenues para ser observadas directamente”, explica Mathilde Jauzac de la Universidad de Durham, Reino Unido, y coautora de este estudio.

“Al descubrir la presencia de gas en estos filamentos, decidimos estudiar también el efecto de lente gravitacional en las afueras del núcleo, donde los objetos en segundo plano sufren una distorsión mucho menor, pero todavía suficiente como para estudiar la distribución de la materia oscura”.

La combinación de las observaciones realizadas en distintas longitudes de onda puso de manifiesto cómo se relacionan entre sí los distintos elementos que habitan en el entorno de Abell 2744.

Gracias a los datos recogidos en la banda de los rayos X, los astrónomos fueron capaces de medir la densidad y la temperatura del gas, y de comparar estos resultados con las predicciones teóricas. Los filamentos contienen gas a una temperatura de entre 10 y 20 millones de grados centígrados, mucho más frío que el gas en el centro del cúmulo, que puede alcanzar los 100 millones de grados, pero un poco más caliente que el resto de la red cósmica, que presentaría una temperatura de varios millones de grados.

El gas y las galaxias en el interior de los filamentos representan aproximadamente la décima parte de su masa total. El resto lo compone la materia oscura, lo que también concuerda con los modelos teóricos.

Filamentos en el cúmulo de galaxias Abell 2744. Crédito: ESA/XMM-Newton (rayos X); ESO/WFI (óptico); NASA/ESA y CFHT (materia oscura).

Si bien estos resultados encajan perfectamente con los modelos teóricos, todavía es muy pronto para extrapolarlos al resto del Universo.

“Lo que hemos observado es una configuración muy particular de filamentos de alta densidad cerca de un cúmulo excepcionalmente masivo. Necesitamos estudiar una muestra mucho mayor de filamentos menos densos para analizar la naturaleza de la red cósmica”, concluye Eckert.

Para poder llevar a cabo un estudio más detallado, los astrónomos tendrán que esperar al futuro telescopio de rayos X de la ESA, Athena, cuyo lanzamiento está previsto para el año 2028. La extraordinaria sensibilidad de este nuevo observatorio hará posible estudiar el gas caliente de la red cósmica a lo largo de todo el firmamento, detectando filamentos más tenues y difusos e incluso identificando algunos de los elementos químicos que los componen.

“Los filamentos que fluyen hacia Abell 2744 revelan una acumulación de la red cósmica en uno de los lugares más concurridos del Universo conocido, un descubrimiento fundamental para comprender mejor el proceso de formación de las galaxias y los cúmulos”, explica Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton para la ESA.

El estudio “Warm-hot baryons comprise 5–10 per cent of filaments in the cosmic web” fue publicado en la edición del 3 de diciembre de 2015 de la revista Nature.

Fuente: ESA