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Un mapa de materia oscura a 4,500 millones de años luz de distancia

Traducido por Mónica Caruana para Seti.cl

Un equipo internacional de astrónomos ha creado el mapa de la masa dentro de un cúmulo de galaxias con una precisión jamás obtenida, usando el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA.  Este mapa se creó usando las observaciones hechas por el programa de observación Hubble’s Frontier Fields, y muestra la cantidad y distribución de la masa dentro de MCS J0416.1–2403, un cúmulo de galaxias masivo, del que se ha descubierto que tiene una masa de 160 billones de veces la del Sol.
El nivel de detalle en este “mapa de masa” fue logrado gracias a la profundidad sin precedente de los datos, proporcionados por las nuevas observaciones de Hubble, y al fenómeno cósmico conocido como lente gravitacional fuerte. El equipo, dirigido por la Doctora Mathilde Jauzac de Durham University en el Reino Unido, y la  Astrophysics & Cosmology Research Unit en Sudáfrica, publicó sus resultados en la revista académica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El cúmulo de galaxias MCS J0416.1–2403, uno de los seis cúmulos en los que se enfoca el programa Frontier Fields de Hubble. El área azul de la imagen es un mapa de la masa creado usando las nuevas observaciones de Hubble, combinadas con el poder de amplificación del proceso llamado lente gravitacional. El gas caliente detectado por el Observatorio de Rayos X Chandra de NASA aparece en rojo, mostrando su ubicación en el cúmulo. La materia mostrada en color azul que está separada de las áreas rojas detectadas por Chandra consiste en lo que se conoce como materia oscura, que solo puede ser detectada directamente por el lente gravitacional. Crédito: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields. Reconocimiento: Mathilde Jauzac (Durham University, Reino Unido), y Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza).
El cúmulo de galaxias MCS J0416.1–2403, uno de los seis cúmulos en los que se enfoca el programa Frontier Fields de Hubble. El área azul de la imagen es un mapa de la masa creado usando las nuevas observaciones de Hubble, combinadas con el poder de amplificación del proceso llamado lente gravitacional. El gas caliente detectado por el Observatorio de Rayos X Chandra de NASA aparece en rojo, mostrando su ubicación en el cúmulo. La materia mostrada en color azul que está separada de las áreas rojas detectadas por Chandra consiste en lo que se conoce como materia oscura, que solo puede ser detectada directamente por el lente gravitacional. Crédito: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields. Reconocimiento: Mathilde Jauzac (Durham University, Reino Unido), y Jean-Paul Kneib (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza).

Medir la cantidad y distribución de la masa dentro de objetos distantes en el Universo puede ser muy difícil. Un truco frecuentemente usado por los astrónomos para explorar el contenido de grandes cúmulos de galaxias es estudiar el efecto gravitacional que tienen sobre la luz proveniente de objetos aún más distantes. Este es uno de los propósitos principales de Frontier Fields de Hubble, un ambicioso programa de observación que está explorando seis cúmulos de galaxias diferentes, incluyendo MCS J0416.1–2403.

Cerca de tres cuartos de toda la materia en el Universo se compone de la llamada “materia oscura”, que no puede ser vista directamente ya que no emite o refleja ninguna luz, y puede atravesar otra materia sin fricción (no colisiona). Solo interectúa con la gravedad, y su presencia puede deducirse por sus efectos gravitacionales.

Uno de estos efectos fue predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein, indicando la existencia de grandes aglomeraciones de masa en el Universo que deforman y distorsionan el espacio-tiempo alrededor de ellas.

A manera de lentes, parecen aumentar y doblar la luz que viaja a través de ellas desde objetos más distantes. Esta es una de las pocas técnicas que los astrónomos pueden usar para estudiar la materia oscura.

A pesar de sus grandes masas, el efecto que los cúmulos de galaxias tienen sobre lo que los rodea es mínimo. En mayor parte lo que causan es un débil efecto de lente, haciendo que las fuentes aún más distantes aparezcan solo ligeramente más elípticas o extendidas en el cielo. Sin embargo, cuando el cúmulo es lo suficientemente grande y denso y la alineación del cúmulo y los objetos distantes es preciso, los efectos pueden ser más dramáticos. Las imágenes de galaxias normales se transforman en aros y arcos de luz, apareciendo incluso varias veces en la misma imagen. Este efecto es conocido como efecto de lente fuerte. Este fenómeno, visto alrededor de los seis cúmulos de galaxias en los que se enfoca el programa Frontier Field, es lo que se ha utilizado para hacer el mapa de la distribución de la masa de MCS J0416.1–2403, usando los nuevos datos de Hubble.

“La profundidad de los datos nos permite ver objetos muy tenues, y nos ha permitido identificar más galaxias amplificadas que nunca,” explica la Doctora Jauzac, autora principal de la nueva publicación de Frontier Fields.

“Aunque el lente fuerte amplifica las galaxias que están en el fondo, aún así se encuentran muy alejadas, y son muy tenues. La profundidad de estos datos significa que podemos identificar galaxias en el fondo que están increíblemente distantes. Ahora conocemos una cantidad de galaxias amplificadas por lente fuerte cuatro veces mayor de la que conocíamos antes.”

Usando la Cámara Avanzada para Sondeos de Hubble, los astrónomos identificaron 51 galaxias de imagen multiplicada, el cuádruple de las que se había descubierto en sondeos previos, sumando el gran total de 68 galaxias lentificadas. Ya que estas galaxias se pueden ver varias veces, esto es igual a casi 200 imágenes lentificadas individuales, que pueden ser vistas a lo largo de la imagen. Este efecto ha permitido a Jauzac y sus colegas calcular la distribución de la materia visible y la oscura en el cúmulo, y así producir un mapa  altamente restringido de su masa.

“A pesar de que hemos sabido por más de veinte años cómo hacer un mapa de la masa de un cúmulo usando el efecto de lente fuerte, ha tomado mucho tiempo obtener telescopios que puedan hacer observaciones lo suficientemente profundas y nítidas, así como el que nuestros modelos se volvieran lo suficientemente sofisticados para que pudiéramos hacer un mapa, con un nivel de detalle sin precedentes, de un sistema tan complicado como lo es  MCS J0416.1–2403,” explica Jean-Paul Kneib, miembro del equipo.

Estudiando 57 de las galaxias lentificadas con mayor claridad y confiabilidad, los astrónomos hicieron el modelo de la masa tanto como de la materia normal como de la oscura dentro de MCS J0416.1-2403. “¡Nuestro mapa es dos veces mejor que cualquier modelo previo de este cúmulo!”, añade Jauzac.

Se descubrió que la masa total dentro de  MCS J0416.1-2403 –modelada con una extensión de 650,000 años luz de un extremo a otro–, es de 160 billones de veces la del Sol. Con un porcentaje de incertidumbre de 0.5%, esta medida es la más precisa de la masa de un cúmulo que jamás se haya producido. Al señalar con precisión el lugar donde la masa reside dentro de cúmulos como este, los astrónomos también están midiendo la deformación del espacio-tiempo con gran precisión.

“Las observaciones y las técnicas de lentificación gravitacional de Frontier Fields han hecho posible caracterizar objetos distantes de manera precisa: en este caso, un cúmulo tan lejano que su luz ha tardado 4,500 millones de años luz en alcanzarnos” añade Jean-Paul Kneib.

“Pero no vamos a parar aquí. Para obtener una imagen completa de la masa necesitamos incluir también las medidas de lentificación débil. Aunque la lentificación débil solo puede darnos una estimación aproximada de la masa del núcleo interno de un cúmulo, también nos proporciona información valiosa sobre la masa alrededor del núcleo del cúmulo”.

El equipo continuará estudiando el cúmulo usando captura de imagen ultra-profunda de Hubble, así como información de lentificación fuerte y débil para hacer el mapa de las regiones exteriores del cúmulo, así como del núcleo interno, y así se podrá detectar las subestructuras en los alrededores del cúmulo. También utilizarán medidas de rayos X del gas caliente obtenidas por el observatorio Chandra y desplazamientos al rojo espectroscópicos hechos por observatorios en tierra para hacer el mapa del contenido del cúmulo, evaluando la contribución respectiva de la materia oscura, el gas y las estrellas.

La combinación de estas fuentes de datos potencializará aún más el nivel de detalle de este mapa de distribución de masa, mostrándolo en 3D e incluyendo las velocidades relativas de las galaxias dentro de este. Esto allanará el camino para la comprensión de la historia y evolución de este cúmulo de galaxias.

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