Rastreo del universo: el estudio de rayos X es compatible con el modelo cosmológico estándar

Al explorar el cielo en busca de fuentes de rayos X, el observatorio de rayos X XMM-Newton de la ESA ha estado ocupado con el mapeo XXL, su programa de observación más grande hasta la fecha. Se acaba de publicar el segundo lote de datos de la topografía, que incluye información sobre 365 cúmulos de galaxias, que rastrean la estructura a gran escala del Universo y su evolución a través del tiempo, y sobre 26 000 núcleos galácticos activos (AGN). 

Al examinar dos grandes regiones del cielo con gran sensibilidad, este es el primer estudio de rayos X para detectar suficientes cúmulos de galaxias y AGN en volúmenes contiguos de espacio para que los científicos puedan hacer un mapa de la distribución de estos objetos al Universo distante En detalle sin precedentes. Los resultados son compatibles con las expectativas del modelo cosmológico actualmente aceptado. 

Los rayos X se producen en algunos de los procesos más energéticos del Universo, pero debido a que están bloqueados por la atmósfera de la Tierra, solo se pueden observar desde el espacio. Cuando los telescopios de rayos X observan el Universo extragaláctico, básicamente ven dos fuentes: el gas caliente que se encuentra en los cúmulos de galaxias , y los Núcleos Galácticos Activos (AGN), regiones brillantes y compactas en los centros de algunas galaxias donde un agujero negro supermasivo está acrecentando el materia circundante. 

Los 365 grupos de galaxias de la topografía XXL: vista de rayos X. Crédito: ESA / XMM-Newton / XXL Survey

El XMM-Newton de la ESA es uno de los telescopios de rayos X más poderosos jamás puestos en órbita. Durante los últimos ocho años, ha pasado 2000 horas midiendo la radiación de rayos X como parte de XXL Survey, que buscó cúmulos de galaxias y AGN al escanear dos áreas del cielo aparentemente vacías, cada una de las cuales mide 25 grados cuadrados (como referencia, la luna llena mide aproximadamente medio grado de ancho). 

El primer conjunto de datos XXL fue lanzado en 2015; Incluía 100 de los cúmulos de galaxias más brillantes y 1000 AGN. Este mes, se publicó un nuevo catálogo de datos que contiene 365 agrupamientos asombrosos y 26 000 AGN. Los primeros resultados que utilizan estos datos se publican en un número especial de Astronomy & Astrophysics. 

El rastreo hizo un mapa de los grupos de rayos X tan distantes que la luz los dejó cuando el Universo tenía apenas la mitad de su edad actual, y los AGN están aún más lejos. Algunas de las fuentes observadas están tan lejos que XMM-Newton no recibió más de 50 fotones de rayos X, por lo que es difícil saber si son grupos o AGN. 

"Fue relativamente fácil encontrar cúmulos de galaxias y AGN, porque son los únicos objetos extragalácticos visibles en la luz de rayos X", explica Marguerite Pierre de CEA Saclay, Francia. 

Vista compuesta del grupo de galaxias XLSSC006, que combina observaciones en rayos X realizadas por el observatorio espacial XMM-Newton de la ESA como parte de la encuesta XXL (mostrada en púrpura) con datos ópticos y de infrarrojo cercano del Telescopio Canadá-Francia-Hawai. compuesto de tres colores del filtro azul (u), que se muestra en azul, el filtro rojo (r), que se muestra en verde, y un filtro de infrarrojo cercano (z), que se muestra en rojo. Este grupo, que se encuentra en un corrimiento al rojo de 0.43 y con una masa de ~ 5 × 1014 masas solares, presenta dos galaxias dominantes, lo que sugiere que está experimentando un evento de fusión. Los datos de XMM-Newton muestran el gas caliente que emite los rayos X que impregna el grupo. Crédito: ESA / XMM-Newton (rayos X); CFHT (óptico); Topografía XXL

"Pero tuvimos que usar varios otros telescopios que recogen luz en diferentes longitudes de onda, así como amplias instalaciones informáticas, para recopilar más información sobre cada fuente, incluida la definición de su naturaleza y distancia". 

La materia en el Universo no está distribuida uniformemente, sino que forma una red cósmica de filamentos formados por la gravedad, con cúmulos de galaxias en sus intersecciones. Los cúmulos de galaxias son las entidades más grandes del universo: trazan los picos de mayor densidad en su estructura a gran escala, lo que los convierte en una herramienta poderosa para responder preguntas sobre la cosmología. 

La estructura y evolución del Universo se describe mediante un conjunto de parámetros cosmológicos, que incluyen la densidad de sus diversos componentes y la velocidad a la que se está expandiendo. Actualmente, conocemos bastante bien el valor de muchos de estos parámetros, pero se requieren grandes muestras de trazadores cósmicos a una variedad de distancias para describir con mayor precisión la estructura subyacente del Universo. El objetivo final de la topografía XXL es proporcionar un catálogo extenso y bien caracterizado de conglomerados que pueda usarse para limitar los parámetros cosmológicos. 

El satélite Planck de la ESA determinó los valores para los parámetros cosmológicos mediante el estudio del fondo cósmico de microondas, que es información del universo primitivo. Después de estimar estos parámetros utilizando los datos más recientes de la topografía XXL, que se basa en la información del Universo más reciente, los científicos compararon sus hallazgos con los valores de Planck. 

"Aunque no encontramos tantos cúmulos de galaxias como predice el modelo cosmológico de Planck, obtuvimos una distribución de cúmulos y AGN que es compatible con el modelo cosmológico actualmente preferido, que recurre a la constante cosmológica de Einstein como una explicación para la expansión acelerada del Universo, en lugar de invocar posibilidades aún más exóticas ", explica Marguerite Pierre. 

"Ya podemos mejorar la estimación de Planck para la constante cosmológica, a pesar de que nuestro análisis solo se ha llevado a cabo en la mitad de la muestra del grupo XXL; pasaremos los próximos años analizando el resto de los datos con el objetivo de refinarlos. Las restricciones cosmológicas ". 

Es más difícil estimar los valores para los parámetros cosmológicos utilizando AGN, ya que sus propiedades se ven afectadas por muchas influencias externas. Los científicos, en cambio, han estado utilizando los datos de AGN de ​​la topografía XXL para comprender más sobre cómo se forman y evolucionan los agujeros negros. 

Este mosaico muestra los 365 grupos de galaxias de la Encuesta XXL como imagen en longitudes de onda óptica por el Telescopio Canadá-Francia-Hawai y por el telescopio Blanco en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo. Los grupos se ordenan al aumentar la distancia con nosotros, comenzando desde el más cercano, con un desplazamiento al rojo de 0.03, en la esquina superior izquierda, hasta el más distante, con un desplazamiento al rojo de 1.99 (el decimoséptimo grupo en la fila inferior desde la izquierda); los últimos siete grupos en la fila inferior tienen un desplazamiento al rojo incierto. Crédito: CFHT Legacy Survey / CTIO / Topografía XXL

Gracias a XXL, esta es la primera vez que los científicos pueden medir el efecto de agrupamiento tridimensional de los grupos de rayos X distantes y el AGN en escalas muy grandes. Ahora pueden finalmente ver dónde se ubican los AGN dentro de la estructura a gran escala del Universo indicada por los grupos de galaxias. 

Los resultados confirman que XMM-Newton es una máquina de rastreo potente. También allanan el camino para el análisis cosmológico final de esta encuesta, que proporcionará restricciones independientes en los parámetros cosmológicos para desentrañar más misterios del Universo. 

La futura red cósmica será investigada por el futuro satélite Euclid de la ESA, que observará la luz emitida hasta hace 10 mil millones de años. Euclid verá una gran cantidad de fuentes, ya que detectará luz óptica e infrarroja; Con su gran área de levantamiento y su amplia cobertura de múltiples longitudes de onda, los datos XXL servirán como referencia para estas observaciones. 

Las observaciones de XMM-Newton también plantearon nuevas preguntas sobre la física de los cúmulos de galaxias, que serán investigadas con mayor detalle en la próxima misión de rayos X de la ESA, Athena. Debido a su lanzamiento en 2031, Athena será mucho más sensible que su antecesor. Mientras XMM-Newton puede observar grupos a una variedad de distancias de nosotros, explorando diferentes épocas en la historia del Universo, Athena observará grupos tan distantes que su luz los dejó mientras se formaban, contándonos aún más sobre la forma en que se asoman estas estructuras gigantescas. Forma y evoluciona. 

Mientras tanto, los científicos en la colaboración XXL planean procesar las observaciones restantes y revisar los datos utilizando técnicas de procesamiento mejoradas. La versión final de los datos XXL que contiene aún más fuentes de rayos X, así como el análisis cosmológico completo, está prevista para 2021. 

"Es muy emocionante que los datos de este telescopio espacial contribuyan a nuestra comprensión de la evolución del Universo", concluye Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton en la ESA. "Esto fue posible gracias a la colaboración entre un gran número de instituciones en muchos países diferentes". 

Fuente: ESA,