Los astrónomos han desentrañado una colisión desordenada entre dos cúmulos masivos de galaxias en la que la enorme nube de materia oscura del cúmulo se ha separado de la llamada materia normal. Cada uno de los dos cúmulos contiene miles de galaxias y están a miles de millones de años luz de la Tierra. A medida que se atraviesan, la materia oscura (materia invisible que siente la gravedad pero no emite luz) se adelanta a la materia normal. Las nuevas observaciones investigan directamente el desacoplamiento de velocidades de la materia oscura y normal.
Los cúmulos de galaxias son una de las estructuras más grandes del universo, unidas por la gravedad. Sólo el 15 por ciento de la masa de estos cúmulos es materia normal, la misma materia que forma los planetas, las personas y todo lo que vemos a nuestro alrededor. La mayor parte de esta materia normal es gas caliente, el resto estrellas y planetas. El 85 por ciento restante de la masa del cúmulo es materia oscura.
Durante la colisión entre los cúmulos, la fusión conocida como MACS J0018.5+1626, las galaxias individuales quedaron prácticamente intactas porque existía mucho espacio entre ellas. Pero cuando las grandes masas de gas (materia natural) dentro de las galaxias chocan, el gas se vuelve turbulento y sobrecalentado. Toda la materia, tanto la normal como la oscura, interactúa a través de la gravedad, la materia normal también interactúa a través del electromagnetismo, que la ralentiza durante las colisiones. Entonces, mientras la materia normal queda atrapada, charcos de materia oscura viajan dentro de cada cúmulo.
Imagine una colisión masiva entre varios camiones volquete que transportan arena, sugiere Emily Silich, autora principal de un nuevo estudio. Diario astrofísico. “La materia oscura es como arena y vuela hacia adelante”. Silich está trabajando con el estudiante graduado Jack Sayers, profesor investigador de física en Caltech e investigador principal del estudio.
El descubrimiento se realizó utilizando datos del Observatorio Submilimétrico Caltech (que recientemente se trasladó de su sitio de Maunacare en Hawaii y se trasladará a Chile), el Observatorio WM Keck en Maunacare, el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA y el Telescopio Espacial Hubble de la NASA. telescopio, el ahora retirado Observatorio Espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea y el Observatorio Planck (cuyos centros científicos afiliados a la NASA estaban basados en el IPAC de Caltech), y el Experimento del Telescopio Submilimétrico de Atacama en Chile. Algunas observaciones se realizaron hace décadas, mientras que en los últimos años se realizó un análisis completo utilizando todos los conjuntos de datos.
Este tipo de desacoplamiento de la materia oscura y normal se ha visto antes, el más famoso en el Bullet Cluster. En esa colisión, el gas caliente era claramente visible detrás de la materia oscura después de que los dos cúmulos de galaxias se atravesaran entre sí. La situación es similar a la de MACS J0018.5+1626 (en adelante, MACS J0018.5), pero la orientación de la fusión se gira, aproximadamente 90 grados en relación con el grupo Bullet. En otras palabras, uno de los cúmulos masivos de MACS J0018.5 vuela casi directamente hacia la Tierra y el otro huye. Esta orientación dio a los investigadores un punto de vista único desde el cual, por primera vez, pudieron determinar las velocidades tanto de la materia oscura como de la materia normal y explicar cómo se separan entre sí durante las colisiones de cúmulos de galaxias.
“Con Bullet Cluster, es como si estuviéramos sentados en una tribuna viendo una carrera de autos y pudiendo capturar hermosas instantáneas de autos yendo directamente de izquierda a derecha”, dice Sayers. “En nuestro caso, es más como si estuviéramos parados directamente frente a un automóvil con un radar que viene hacia nosotros y pudiendo obtener su velocidad”.
Para medir el movimiento de la materia normal o del gas en el cúmulo, los investigadores utilizaron un método de observación conocido como efecto cinético Sunyaev-Zel’dovich (SZ). Sayers y sus colegas realizaron la primera detección observacional de un efecto SZ dinámico en un cúmulo de galaxias llamado MACS J0717 en 2013, utilizando datos del CSO (las primeras observaciones del efecto SZ de MACS J0018.5 se tomaron en MACS J0018.5 en 2006).
El efecto cinético SZ ocurre cuando los fotones del primer universo, el fondo cósmico de microondas (CMB), expulsan electrones en gas caliente hacia nosotros en la Tierra. El movimiento de los electrones en la nube de gas a lo largo de nuestra línea de visión hace que los fotones experimenten un desplazamiento, llamado desplazamiento Doppler. Al medir los cambios en el brillo del CMB causados por estos cambios, los investigadores pueden determinar el movimiento de la nube de gas dentro del cúmulo de galaxias.
“Cuando Jack y yo lanzamos por primera vez una nueva cámara sobre cúmulos de galaxias en CSO en 2006, los efectos Sunyav-Zeldovich todavía eran una herramienta de observación muy nueva y no teníamos idea de que se haría tal descubrimiento”, dijo Sunil Golwala, profesor de física y asesor docente del Dr. Silich. “Esperamos encontrarnos con varias sorpresas nuevas cuando coloquemos la próxima generación de instrumentos en el telescopio en su nuevo hogar en Chile”.
En 2019, los investigadores habían realizado estas mediciones cinéticas de SZ en varios cúmulos de galaxias, llamándolos movimientos de gas o materia normal. También utilizaron CAKE para aprender el movimiento de las galaxias en el cúmulo, al que llamaron movimiento de la materia oscura por poder (porque la materia oscura y las galaxias se comportan de manera similar durante las colisiones). Pero en esta etapa de la investigación, el equipo tenía una comprensión limitada de la orientación de los grupos. Todo lo que sabían era que uno de ellos, MACS J0018.5, mostraba signos de que algo extraño estaba sucediendo: gas caliente, o materia normal, viajando en dirección opuesta a la materia oscura.
“Teníamos toda esta extraña bola con velocidades 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”, dijo Sayers. “Y luego Emily se involucró y resolvió todo”.
Como parte de su tesis doctoral, Silich abordó las complejidades de MACS J0018.5. Recurrió a datos del Observatorio de rayos X Chandra para revelar la temperatura y la ubicación del gas en el cúmulo, así como el grado de choque del gas. “Estas colisiones de cúmulos son los eventos más poderosos desde el Big Bang”, dijo Silich. “La Luna mide las temperaturas extremas del gas y nos informa sobre la edad de la fusión y la última vez que chocaron los cúmulos”. El equipo también trabajó con Adi Zitrin de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel para mapear la materia oscura utilizando datos del Hubble mediante un método conocido como lentes gravitacionales.
Además, John Juhon de Harvard y el Centro de Astrofísica del Smithsonian ayudaron al equipo a simular colisiones de cúmulos. Estas simulaciones se utilizaron junto con datos de varios telescopios para determinar la geometría y la fase evolutiva del encuentro del cúmulo. Los científicos descubrieron que, antes de la colisión, los cúmulos se acercaban entre sí a unos 3.000 km/s, aproximadamente el uno por ciento de la velocidad de la luz. Con una imagen más completa de lo que está sucediendo, los investigadores entendieron por qué la materia oscura y la materia normal parecen viajar en direcciones opuestas. Aunque los científicos dicen que es difícil de imaginar, la orientación de la colisión, combinada con la separación de la materia oscura y la materia normal, explica la extraña medición de la velocidad.
En el futuro, los investigadores esperan que más estudios de este tipo conduzcan a nuevas pistas sobre la misteriosa naturaleza de la materia oscura. “Este estudio es un punto de partida para una investigación más detallada sobre la naturaleza de la materia oscura”, afirmó Silich. “Tenemos un nuevo tipo de detección directa que muestra cómo la materia oscura se comporta de manera diferente a la materia normal”.
“Nos llevó mucho tiempo juntar todas las piezas del rompecabezas, pero ahora finalmente sabemos qué está pasando. Esperamos que esto conduzca a una dirección completamente nueva en el estudio de la materia oscura en los cúmulos”, dice Sayers, recordando el primera recopilación de datos de la CSO sobre el objeto hace casi 20 años”.
El estudio, titulado “ICM-SHOX. Documento I: descripción general de la metodología y descubrimiento de un desacoplamiento de la velocidad del gas y la materia oscura en la fusión MACS J0018.5+1626”, fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, la beca de posgrado Wallace LW Sargent de Caltech, Chandra X-ray Center, la Fundación Binacional de Ciencias Estados Unidos-Israel, el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Israel, el Proyecto ATLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) y el Consejo Nacional de Ciencias Humanidas y Tecnologías.