El Gran Telescopio Canarias permite hallar uno de los cúmulos de galaxias más densos del Universo

El trabajo que publicaba recientemente la revista Nature Astronomy y que cuestiona los modelos de formación de estructuras del Cosmos se apoya en datos obtenidos con el Gran Telescopio Canarias y ha contado con la participación de un equipo de investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

La estructura de Universo se asemeja a la de una esponja a la que, comúnmente, se le llama red cósmica. La materia se dispone a lo largo de filamentos que se entrecruzan, dejando zonas donde la materia se acumula y otras en las que casi no hay. En los puntos de mayor densidad, las galaxias se agrupan, formando cúmulos de galaxias. Estos sistemas, que pueden contener miles de galaxias, son las estructuras con mayor masa del Universo.

El estudio de la red cósmica es uno de los retos de la Astrofísica actual. Se desconocen las propiedades de las componentes principales de la materia a estas escalas. Por ello, usamos términos como “materia oscura” y “energía oscura”. La primera supone hasta un 20% de la masa total del Universo y es la responsable de mantener a las estructuras unidas gravitatoriamente. Es decir, actúa como pegamento. La segunda, por el contrario, conforma el 75% del Universo y está relacionada con el modo en que el Universo se expande. La materia ordinaria, es decir, las galaxias, el gas, el polvo, las estrellas, etc. apenas representa un 5% de la masa del Universo, pero tienen el importante papel de trazar las fuerzas y propiedades de la materia y la energía oscura.

Un equipo internacional, liderado por Mauro Sereno, de la Universidad de Bolonia, en el que también han participado el IAC y el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), ha localizado uno de los cúmulos de galaxias más densos del Universo. El estudio analiza, por primera vez, las zonas más externas del cúmulo de galaxias PSZ2 G099.86+58.45 hasta una distancia de 30 megaparsecs, una región en la que hasta ahora no se conocía cómo se distribuía la masa, ni si a estas distancias la materia estaba ligada por la gravedad del cúmulo.

El ambiente en torno a los cúmulos de galaxias incluye otras estructuras como “filamentos”, otros cúmulos vecinos y la materia que cae hacia el cúmulo central más masivo. “Este estudio revela que la densidad de materia alrededor del cúmulo estudiado es hasta seis veces mayor que lo que se espera”, señala Mauro Sereno, investigador principal de este trabajo. Asimismo, se ha descubierto que los mecanismos de acrecimiento de masa pueden llegar a producir densidades muy altas, incluso a grandes distancias de los cúmulos galácticos.

El trabajo se ha basado en el efecto de “lente gravitatoria”, que consiste en que la masa del cúmulo y la materia circundante desvían la luz procedente de galaxias más lejanas, modificando la forma observada de estas galaxias de fondo. Cuanto más denso y concentrado es el cuerpo que actúa de lente, mayor es la deformación de las galaxias del fondo. El estudio estadístico de las deformaciones de más de 150.000 galaxias del fondo, también llamado efecto de lente débil o “weak lensing”, realizado con imágenes profundas obtenidas con el telescopio CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope), ha permitido conocer la distribución, masa y densidad de materia entorno al cúmulo PSZ2 G099.86+58.45. Los resultados revelan que este cúmulo supone un caso excepcionalmente raro, que no ajusta bien a los modelos de formación de estructuras. Esto implica que debe de haber mecanismos de acrecimiento de materia mucho más eficaces a los que hoy conocemos.

Si bien los modelos ajustan adecuadamente la densidad superficial de masa en regiones internas de los cúmulos de galaxias, hasta los 5-7 megaparsecs, más allá, en las regiones externas, los modelos deben implementar una componente adicional para ajustar los datos observacionales. “Esta componente de masa es totalmente desconocida, ni las simulaciones numéricas de cúmulos de galaxias y estructuras a gran escala predicen su existencia”, explica Rafael Barrena, investigador del IAC y uno de los autores del artículo publicado en Nature Astronomy. “Con lo cual –añade- estamos ante la evidencia observacional de grandes cantidades de materia donde no lo esperábamos”.

El grupo del IAC que participa en esta publicación ha observado espectroscópicamente una muestra de las galaxias que forman parte del cúmulo PSZ2 G099.86+58.45 usando el espectrógrafo multiobjeto OSIRIS, instalado en el Gran Telescopio Canarias (GTC), en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Midiendo las velocidades a las que se mueven estas galaxias es posible determinar la masa total del cúmulo. En la práctica, este problema sería como determinar la masa del Sol a partir de la velocidad con la que se mueven los planetas. Utilizando esta técnica han logrado medir la masa total del cúmulo. Los resultados confirman que PSZ2 G099.86+58.45 es un cúmulo de galaxias muy masivo y denso, y que los efectos de su altísima gravedad se extienden a distancias extremadamente grandes, mucho más de lo que los modelos predicen.

“Estamos ante un estudio que abre la puerta a una región del Universo que hasta ahora no ha sido suficientemente explorada, la frontera límite de los cúmulos de galaxias”, señala la investigadora del IAC y coautora del artículo Alina Streblyanska. Una zona que puede aportar mucha información a la hora de estudiar estos sistemas, cómo se forman y cómo evolucionan las estructuras más masivas del Universo. “Con este estudio se da otro pequeño paso en el conocimiento de la materia oscura y cómo ésta se distribuye en la red cósmica del Universo”, concluye  Antonio Ferragamo.

Artículo: M. Sereno et al. Gravitational lensing detection of an extremely dense environment around a galaxy cluster. Nature Astronomy (2018). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-018-0508-y