Un brillo tenue dentro de los cúmulos de galaxias ilumina la materia oscura

Abell S1063. Crédito: NASA.

Un nueva mirada a las imágenes de galaxias del Hubble podría ser un paso hacia el entendimiento de la naturaleza esquiva de la materia oscura, el material inobservable que constituye la mayor parte del universo, según un estudio publicado en línea en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 

Utilizando observaciones del pasado por parte del Hubble de seis cúmulos de galaxias masivas en el programa Frontier Fields, los astrónomos demostraron que la “intraluz del cúmulo” (el brillo difuso entre las galaxias en un cúmulo) traza el camino de la materia oscura, iluminando su distribución con mayor precisión que los métodos existentes que observan X -rayo de luz. 

La luz intraluz de cúmulo es el subproducto de las interacciones entre galaxias que interrumpen sus estructuras; en el caos, las estrellas individuales son liberadas de sus amarres gravitacionales en su galaxia de origen para realinearse con el mapa de gravedad del grupo general. Aquí es también donde reside la gran mayoría de la materia oscura. La luz de rayos X indica dónde están chocando los grupos de galaxias, pero no la estructura subyacente del cúmulo. Esto hace que sea un trazador menos preciso de la materia oscura. 

La poderosa sensibilidad y resolución del Hubble captura una neblina azul suave, llamada luz intracluster, entre innumerables galaxias en el cúmulo Abell S1063. Las estrellas que producen este brillo han sido expulsadas de sus galaxias. Estas estrellas ahora viven vidas solitarias, ya no forman parte de una galaxia sino que se alinean con la gravedad de la agrupación general. Los astrónomos han descubierto que la asociación de la luz intracluster con un mapa de distribución de masa en el campo gravitatorio general del grupo hace que sea un buen indicador de cómo se distribuye la materia oscura invisible en el grupo. Créditos: NASA, ESA y M. Montes (Universidad de Nueva Gales del Sur)

"La razón por la que la luz intraluz de cúmulos es un trazador tan excelente de la materia oscura en un cúmulo de galaxias es que tanto la materia oscura como las estrellas que forman esta intaluz flotan libremente sobre el potencial gravitatorio del propio cúmulo, por lo que están siguiendo exactamente La misma gravedad ", dijo Mireia Montes, de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sídney, Australia, quien es coautora del estudio. "Hemos encontrado una nueva forma de ver el lugar donde debería estar la materia oscura, porque está rastreando exactamente el mismo potencial gravitatorio. Podemos iluminar, con un brillo muy tenue, la posición de la materia oscura". 

Montes también destaca que el método no solo es preciso, sino que es más eficiente porque utiliza solo imágenes profundas, en lugar de las técnicas de espectroscopia más complejas y que requieren más tiempo. Esto significa que se pueden estudiar más grupos y objetos en el espacio en menos tiempo, lo que significa más evidencia potencial de en qué consiste la materia oscura y cómo se comporta. 

"Este método nos coloca en la posición de caracterizar, de manera estadística, la naturaleza última de la materia oscura", dijo Montes. 

"La idea para el estudio se ideó al observar las imágenes prístinas del Hubble Frontier Field", dijo el coautor del estudio, Ignacio Trujillo, del Instituto de Astronomía de las Islas Canarias en Tenerife, España, quien junto con Montes estudiaron la luz de la industria durante años. "La imágenes del Hubble Frontier Field mostraron una luz intrincada con una claridad sin precedentes. Las imágenes fueron inspiradoras", dijo Trujillo. "Aun así, no esperaba que los resultados fueran tan precisos. Las implicaciones para futuras investigaciones espaciales son muy emocionantes". 

"Los astrónomos utilizaron la Distancia de Hausdorff Modificada (MHD), una métrica utilizada en la concordancia de formas, para medir las similitudes entre los contornos de la intraluz de cúmulo y los contornos de los diferentes mapas de masas de los grupos, que se proporcionan como parte de los datos del proyecto Hubble Frontier Fields, ubicado en el Archivo Mikulski para Telescopios Espaciales (MAST). El MHD es una medida de lo lejos que están los dos subconjuntos. Cuanto menor sea el valor de MHD, más similares serán los conjuntos de dos puntos. Este análisis mostró que la distribución de intraluz de cúmulo vista en las imágenes de Hubble Frontier Fields se correspondía con la distribución de masa de los seis grupos de galaxias mejor que la emisión de rayos X, como se deriva de las observaciones archivadas del Espectrómetro de Imágenes de CCD Avanzado del Observatorio de Rayos X, Chandra (ACIS).

En medio de la luz brillante de sus galaxias miembros, el cúmulo de galaxias MACS J0416.1-2403 también emite un brillo suave de luz intracluster, producido por estrellas que no son parte de ninguna galaxia individual. Estas estrellas se dispersaron por todo el cúmulo hace mucho tiempo, cuando sus galaxias locales fueron destrozadas por las fuerzas gravitacionales del cúmulo. Las estrellas sin hogar finalmente se alinearon con la gravedad del conjunto global. La sensibilidad y resolución únicas del Hubble capturan la tenue luz y la utilizan para rastrear la ubicación de la materia oscura invisible, que domina el campo gravitatorio del grupo. Créditos: NASA, ESA y M. Montes (Universidad de Nueva Gales del Sur)

 

Más allá de este estudio inicial, Montes y Trujillo ven múltiples oportunidades para expandir su investigación. Para empezar, les gustaría aumentar el radio de observación en los seis grupos originales, para ver si el grado de precisión de rastreo se mantiene. Otra prueba importante de su método será la observación y el análisis de grupos de galaxias adicionales por parte de más equipos de investigación, para agregar al conjunto de datos y confirmar sus hallazgos. 

Los astrónomos también esperan la aplicación de las mismas técnicas con futuros poderosos telescopios espaciales como el Telescopio Espacial James Webb y WFIRST, que tendrán instrumentos aún más sensibles para resolver la tenue intraluz de cúmulo en el universo distante. 

A Trujillo le gustaría probar la reducción del método desde cúmulos de galaxias masivas a galaxias individuales. "Sería fantástico hacer esto a escalas galácticas, por ejemplo, explorando los halos estelares. En general, la misma idea debería funcionar; las estrellas que rodean la galaxia como resultado de la actividad de fusión también deberían estar siguiendo el potencial gravitatorio de la galaxia, iluminando la localización y distribución de la materia oscura". 

El programa Hubble Frontier Fields fue una iniciativa de imágenes profundas diseñada para utilizar la lupa natural de la gravedad de los cúmulos de galaxias para ver las galaxias extremadamente distantes más allá de ellas, y así obtener información sobre el universo temprano (distante) y la evolución de las galaxias desde entonces . En ese estudio, la intraluz de cúmulo difusa era una molestia, oscureciendo parcialmente las galaxias distantes más allá. Sin embargo, ese tenue resplandor podría terminar arrojando información significativa sobre uno de los grandes misterios de la astronomía: la naturaleza de la materia oscura. 

Más información: Mireia Montes et al, Intracluster light: un trazador luminoso para la materia oscura en grupos de galaxias, Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society (2018). DOI: dx.doi.org/10.1093/mnras/sty2858

Fuente: NASA,