Los astrónomos han desentrañado una colisión desordenada entre dos cúmulos masivos de galaxias en la que vastas nubes de cúmulos de materia oscura se han separado de la llamada materia ordinaria. Cada uno de los dos cúmulos contiene miles de galaxias y están ubicados a miles de millones de años luz de la Tierra. Mientras vibraban juntos, la materia oscura (una sustancia invisible que siente la fuerza de la gravedad pero no emite luz) se adelantó a la materia normal. Las nuevas observaciones son las primeras en investigar directamente el desacoplamiento de las velocidades de la materia oscura y la normal.
Los cúmulos de galaxias se encuentran entre las estructuras más grandes del universo y se mantienen unidas por la fuerza de la gravedad. Estos cúmulos contienen sólo alrededor del 15 por ciento de la masa de materia ordinaria, la misma materia que forma los planetas, las personas y todo lo que vemos a nuestro alrededor. La mayor parte de esta materia común es gas caliente, mientras que el resto son estrellas y planetas. El 85% restante de la masa del cúmulo es materia oscura.
Durante la colisión entre los cúmulos, conocida como MACS J0018.5+1626, las galaxias individuales quedaron en gran medida desprotegidas debido a que hay mucho espacio entre ellas. Pero cuando las enormes reservas de gas entre galaxias (materia normal) chocaron, el gas se volvió turbulento y caliente. Si bien toda la materia, incluida la materia normal y la materia 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 disminuía, los charcos de materia oscura dentro de cada grupo avanzaban.
Piense en una colisión a gran escala entre varios camiones volquete que transportan arena, dijo Emily Slach, autora principal de un nuevo estudio. El diario astrofísico. “La materia oscura es como arena y vuela hacia adelante”. Silach es un estudiante de posgrado que trabaja con Jack Sears, profesor investigador de física en Caltech e investigador principal del estudio.
El descubrimiento se realizó utilizando datos del Observatorio Submilimétrico Caltech (que recientemente fue retirado de su sitio en Maunakea en Hawai’i y será trasladado a Chile), el Observatorio WM Keck de la NASA en Maunakea y el Observatorio de rayos X Chandra, y el Telescopio Espacial Hubble de la NASA. , el ahora retirado Observatorio Espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea y el Observatorio Planck (cuyos centros científicos de la NASA estaban basados en el IPAC de Caltech) y el Telescopio Submilimétrico de Atacama en Chile. Algunas de las observaciones se realizaron hace décadas, mientras que el análisis completo utilizando todos los conjuntos de datos se realizó en los últimos años.
Este desacoplamiento entre la materia oscura y la normal se ha observado antes, sobre todo en el cúmulo de balas. En esta colisión, se puede ver claramente el gas caliente seguido por la materia oscura después de que los dos cúmulos de galaxias colisionen. Una situación similar ocurre en MACS J0018.5+1626 (en adelante, MACS J0018.5), pero la dirección de la fusión se gira, aproximadamente 90 grados en relación con el grupo Bullet. En otras palabras, uno de los grandes cúmulos de MACS J0018.5 vuela casi directamente hacia la Tierra mientras el otro huye. Esta orientación brindó a los investigadores un punto de vista único desde el cual, por primera vez, mapearon las trayectorias tanto de la materia oscura como de la materia normal, y aclararon cómo se separan entre sí durante las colisiones con cúmulos de galaxias.
“Con Bullet Cluster, es como estar sentado en una tribuna viendo una carrera de autos y poder capturar instantáneamente hermosas instantáneas de los autos yendo de izquierda a derecha”, dice Sears. “En nuestro caso, es como si estuviéramos en la carretera con un radar, parados delante de un coche que se acerca a nosotros y pudiendo aumentar su velocidad”.
Para medir la velocidad de la materia normal, o gas, en el cúmulo, los investigadores utilizaron un método de observación llamado efecto cinético Sunyaev-Zel’dovich (SZ). Sears y sus colegas, en 2013, realizaron la primera detección observacional de un efecto SZ dinámico en un objeto cósmico individual, el cúmulo de galaxias MACS J0717, utilizando datos del CSO (First SZ Effect Observation of MACS J0018.5 2006).
El efecto cinético SZ se produce cuando los fotones del universo primitivo, el fondo cósmico de microondas (CMB), dispersan electrones en gas caliente en su camino hacia nosotros en la Tierra. Los fotones sufren un desplazamiento, llamado desplazamiento Doppler, debido al movimiento de los electrones en las nubes de gas a lo largo de nuestra línea de visión. Al medir el cambio en el brillo del CMB causado por este cambio, los investigadores pueden determinar la velocidad de las nubes de gas dentro del cúmulo de galaxias.
“El efecto Sanioff-Zeldovich era todavía una herramienta de observación muy nueva cuando Jack y yo enfocamos por primera vez una nueva cámara en CSO sobre cúmulos de galaxias en 2006, y no teníamos idea de que sería tan poderoso”, dice el profesor Sunil Golwala de There Habrá algún tipo de descubrimiento.” Facultad Ph.D. Asesor de Física y Silach. “Esperamos muchas sorpresas nuevas a medida que instalemos instrumentos de próxima generación en el telescopio en su nuevo hogar en Chile”.
A partir de 2019, los investigadores han realizado estas mediciones cinéticas de SZ en varios cúmulos de galaxias, que les informan sobre la velocidad del gas o materia común. También utilizaron CAKE para determinar las velocidades de las galaxias en el cúmulo, lo que les dio las velocidades de la materia oscura por proxy (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. Sólo sabían que uno de ellos, MACS J0018.5, mostraba signos de algo extraño: gas caliente, o materia ordinaria, viajando en dirección opuesta a la materia oscura.
“Teníamos este bicho raro con velocidades en direcciones opuestas, y al principio pensamos que podría ser un problema con nuestros datos”, dice Sears. Ni siquiera sabían lo que estaba pasando. “Y luego Emily se involucró y todo se arruinó”.
Durante parte de su tesis doctoral, Silch abordó el problema de MACS J0018.5. Recurrió a datos del Observatorio de rayos X Chandra para determinar la temperatura y la ubicación del gas en los cúmulos, así como el grado de choque del gas. “Estas colisiones de cúmulos son los fenómenos más energéticos desde el Big Bang”, afirma Silch. “Chandra mide las temperaturas extremas del gas y nos informa sobre la edad de la fusión y cuán recientemente colisionaron los cúmulos”. El equipo también trabajó con Eddy Zitherin de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel para utilizar un método llamado lentes gravitacionales para mapear la materia profunda a partir de los datos del Hubble.
Además, John Zohon del Centro de Astrofísica del Harvard-Smithsonian ayudó al equipo a construir el cúmulo. Estas simulaciones se utilizaron en combinación con datos de varios telescopios para determinar finalmente 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 kilómetros por segundo, aproximadamente el uno por ciento de la velocidad de la luz. Con una imagen más completa de lo que está sucediendo, los investigadores pudieron descubrir por qué la materia oscura y la materia normal parecen viajar en direcciones opuestas. Aunque los científicos dicen que es difícil de imaginar, la dirección de la colisión, junto con el hecho de que la materia oscura y la materia normal se han separado, explican las mediciones de velocidad del bicho raro.
En el futuro, los investigadores esperan que más estudios de este tipo proporcionen nuevas pistas sobre la misteriosa naturaleza de la materia oscura. “Este estudio es el punto de partida para estudios más detallados sobre la naturaleza de la materia oscura”, afirma Silach. “Tenemos un nuevo tipo de sonda 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 lo que está pasando”, dice Sears, quien recuerda la primera recopilación de datos de CSO sobre el objeto hace casi 20 años. Esperamos que esto conduzca a una solución completa. nueva forma de estudiar la materia oscura en cúmulos”.
El estudio, titulado “ICM-SHOX. Documento I: Revisión metodológica y descubrimiento del desacoplamiento del impulso de la materia oscura del gas en la fusión MACS J0018.5+1626”, realizado por la Fundación Nacional de Ciencias, Beca de Graduado Wallace LW Sargent en Caltech. fundado por , Chandra X-ray Center, Fundación Internacional de Ciencias de Estados Unidos-Israel, Ministerio de Ciencia y Tecnología de Israel, Proyecto ATLAST (Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope) y Consejo Nacional de Humanidades Ciencias y Tecnologías.
