El Observatorio Chandra de la NASA encuentra “el WHIM” en una colisión de cúmulos de galaxias

Abell 98 es un sistema de cúmulos de galaxias en las primeras etapas de colisión. Los astrónomos han utilizado los datos de Chandra para identificar estructuras clave en este sistema y buscar parte de la materia “normal” (no materia oscura) que falta en la mayoría de las observaciones del universo local. Los científicos han propuesto que al menos parte de esta masa desconocida podría estar ubicada en hebras gigantes conocidas como el “medio intergaláctico cálido-caliente” o WHIM. El estudio de Chandra ha encontrado evidencia del WHIM en Abell 98, que se muestra aquí en imágenes de Chandra y el telescopio WIYN.
Créditos: Rayos X: NASA/CXC/CfA/A. Sarkar; Óptica: NSF/NOIRLab/WIYN.

Un nuevo resultado del Observatorio de rayos X Chandra de la NASA sobre un sistema de cúmulos de galaxias en colisión puede ayudar a explicar el déficit de materia observable en el universo local.

Aunque los científicos saben mucho sobre la composición del universo, hay un problema desconcertante en el que luchan por explicar: hay una cantidad significativa de materia que aún no se ha tenido en cuenta.

Esta masa que falta no es la materia oscura invisible, que constituye la mayor parte de la materia del universo. Del que se trata es otro escenario en el que aproximadamente un tercio de la materia “normal” que se creó en los primeros mil millones de años después del Big Bang aún no se ha detectado mediante observaciones del universo local, es decir, en regiones de menos de unos pocos miles de millones de años luz de la Tierra. Esta materia está compuesta de hidrógeno, helio y otros elementos y forma objetos como estrellas, planetas y humanos.

Los científicos han propuesto que al menos parte de esta masa faltante podría estar escondida en hilos gigantes, o filamentos, de gas cálido a caliente (temperaturas de 10.000 a 10.000.000 kelvin) en el espacio entre galaxias y cúmulos de galaxias. Han llamado a esto el “medio intergaláctico cálido-caliente” o WHIM.

Un equipo de astrónomos que usa el Chandra para observar un sistema de cúmulos de galaxias en colisión, probablemente ha encontrado evidencia de que este WHIM reside en el espacio entre ellos.

“Ha resultado excepcionalmente difícil encontrar estos filamentos de materia faltante, y solo se conocen unos pocos ejemplos”, dijo Arnab Sarkar del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA) en Cambridge (Massachusetts), quien dirigió este estudio. “Estamos emocionados de que probablemente hayamos identificado a otro”.

Los investigadores utilizaron el observatorio Chandra para estudiar Abell 98, que contiene cúmulos de galaxias en colisión, a unos 1.400 millones de años luz de la Tierra. Los datos de Chandra revelan un puente de emisión de rayos X entre dos de los cúmulos en colisión que contienen gas a una temperatura de unos 20 millones de kelvins y gas más frío con una temperatura de unos 10 millones de kelvins. Es probable que el gas más caliente encontrado en el puente provenga del gas de los dos grupos que se superponen entre sí. La temperatura y la densidad del gas más frío concuerdan con las predicciones para el gas más caliente y denso del WHIM.

Además, los datos de Chandra muestran la presencia de una onda de choque, que es similar a la explosión sónica de un avión supersónico. Esta onda de choque es impulsada y localizada delante de uno de los cúmulos de galaxias cuando comienza a chocar con otro cúmulo. Esta es la primera vez que los astrónomos encuentran una onda de choque de este tipo en las primeras etapas de la colisión de un cúmulo de galaxias, antes de que los centros del cúmulo pasen uno junto al otro.

“Creemos que esta onda de choque es un descubrimiento importante porque nuestros modelos han predicho que tales características deberían estar allí, pero no habíamos visto ninguna hasta ahora”, dijo el coautor Scott Randall, también de CfA. “Son una parte clave del proceso inicial de colisión que conducirá a una fusión de los grupos”.

Esta onda de choque puede estar directamente relacionada con el descubrimiento del WHIM en Abell 98 porque ha calentado el gas entre los cúmulos a medida que chocan. Esto puede haber elevado la temperatura del gas en el filamento WHIM, que se estima que contiene unos 400 mil millones de veces la masa del Sol, lo suficientemente alto como para ser detectado con los datos del Chandra.

Los cúmulos de galaxias, que contienen miles de galaxias, enormes cantidades de gas caliente y enormes depósitos de materia oscura, son las estructuras más grandes del universo que se mantienen unidas por la gravedad. Los científicos creen que pueden alcanzar su colosal tamaño debido a la fusión entre sí durante millones o miles de millones de años.

“Cuando los cúmulos de galaxias chocan, tenemos la oportunidad de ver un extraordinario evento físico que rara vez vemos en cualquier otro entorno cósmico”, dijo Yuanyuan Su, coautor de la Universidad de Kentucky.

Abell 98.
Créditos: Rayos X: NASA/CXC/CfA/A. Sarkar; Óptica: NSF/NOIRLab/WIYN.

Un artículo que describe este resultado por Sarkar et al fue publicado en The Astrophysical Journal Letters y está disponible en https://arxiv.org/abs/2208.03401.

Otros autores del artículo son Gabriella E. Alvarez (CfA), Craig Sarazin (Universidad de Virginia, Charlottesville, Virginia), Paul Nulsen (CfA), Elizabeth Blanton (Universidad de Boston, Boston, Massachusetts), William Forman (CfA), Christine Jones (CfA), Esra Bulbul (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Alemania), John Zuhone (CfA), Felipe Andrade-Santos (CfA), Ryan Johnson (Gettysburg College, Gettysburg, Pensilvania) y Priyanka Chakraborty (CfA).

Se ha encontrado más indicios del filamento WHIM entre estos dos grupos con Suzaku, de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón, publicado en un nuevo artículo dirigido por Gabriella Alvarez, también de CfA. Su artículo también evidencia al WHIM en el lado opuesto del cúmulo que lidera la colisión. Estas dos detecciones del WHIM indican que los cúmulos están ubicados a lo largo de una estructura colosal de 13 millones de años luz de largo. El artículo de Álvarez fue aceptado recientemente para su publicación en The Astrophysical Journal y está disponible en https://arxiv.org/abs/2206.08430.

El Marshall Space Flight Center de la NASA administra el programa Chandra. El Centro de rayos X Chandra del Smithsonian Astrophysical Observatory controla las operaciones científicas desde Cambridge (Massachusetts), y las operaciones de vuelo desde Burlington (Massachusetts).

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.