Un “cúmulo de cúmulos” de galaxias tiene un antepasado con una masa 5.000 veces mayor que la de la Vía Láctea y se encuentra en una de las regiones más densas de la red cósmica jamás observadas.
Un equipo internacional de astrónomos descubrió el progenitor más lejano de un supercúmulo de galaxias jamás observado. Este hallazgo respalda las teorías existentes sobre la evolución de los cúmulos de galaxias y revela cómo están conectados con la red cósmica más amplia. El estudio se basa en gran medida en datos del mapeo ODIN, realizado con la Cámara de Energía Oscura, fabricada por el Departamento de Energía de EE. UU., instalada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., ubicado en Cerro Tololo, Chile.
Los cúmulos de galaxias son las estructuras más masivas del Universo que se mantienen unidas por la gravedad. Estas agrupaciones colosales, que abarcan desde cientos hasta miles de galaxias, se extienden a lo largo de millones de años luz. Se mantienen unidas por grandes concentraciones de materia oscura, que constituye el elemento fundamental de la estructura del Universo.
Los cúmulos que los científicos observan relativamente cerca de nosotros en el espacio y en el tiempo son estructuras maduras que evolucionaron a partir de lo que se conoce como “protocúmulos”. Estos protocúmulos son enormes agrupaciones de galaxias, unidas de forma poco compacta, que se encuentran en proceso de fusión, pero que aún no se han estabilizado en un cúmulo. Al estudiar protocúmulos muy lejanos que se formaron cuando el Universo era relativamente joven, los científicos pueden comprender cómo crecieron y evolucionaron los actuales cúmulos de galaxias que observamos hoy.
Con este objetivo, un equipo internacional de científicos dirigido por Vandana Ramakrishnan, estudiante de postgrado en la Universidad de Purdue en el momento del estudio, se remontó miles de millones de años en el pasado para buscar estos antiguos progenitores de los cúmulos de galaxias. El equipo presenta sus hallazgos en un artículo publicado en The Astrophysical Journal. “Con este proyecto, esperamos comprender el crecimiento de las estructuras masivas del Universo y cómo influyen en la evolución de las galaxias que las componen. También esperamos comprender mejor cómo estos protocúmulos están conectados con la red cósmica más amplia”, afirma Ramakrishnan.
Su estudio utilizó datos del mapeo “One-hundred-deg2 DECam Imaging in Narrowbands” (ODIN, por sus siglas en inglés). Este mapeo se realizó con la Cámara de Energía Oscura (DECam), fabricada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), instalada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de NSF, ubicado en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) en Chile, un Programa de NOIRLab de NSF. Gracias a su amplio campo de visión y a su resolución de 570 megapíxeles, la DECam dedicó más de 100 noches durante los últimos tres años a capturar imágenes profundas de una enorme área del cielo del hemisferio sur.
En total, el equipo identificó 150 protocúmulos distantes que se formaron cuando el Universo tenía entre 1.000 y 3.000 millones de años. Centraron su atención en dos cúmulos que presentaban una llamativa sobredensidad de galaxias, denominados COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C [1]. El mapeo ODIN proporcionó las coordenadas bidimensionales de la ubicación de estas estructuras en el cielo. Sin embargo, para comprender realmente su distribución galáctica y cómo encajan en la red cósmica a gran escala, es necesaria una perspectiva tridimensional.
Para mapear estas estructuras en 3D, Ramakrishnan contó con la colaboración de otros dos estudiantes de postgrado, Byeongha Moon (KASI) y Nicole Firestone (Rutgers), para liderar las observaciones de seguimiento utilizando un conjunto de instrumentos denominados espectrógrafos. A diferencia de una imagen bidimensional del cielo, los espectrógrafos analizan las propiedades de la luz para medir la distancia a los objetos, permitiendo a los científicos determinar su posición en tres dimensiones.
La mayoría de los espectros utilizados en este estudio se obtuvieron con el Instrumento Espectroscópico para el estudio de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés), un potente espectrógrafo multiobjetos capaz de medir simultáneamente las distancias a 5.000 galaxias diferentes. El instrumento se construyó con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y socios internacionales, y funciona gracias al financiamiento del DOE. El proyecto DESI es administrado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab). El instrumento está instalado en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros de NSF, ubicado en el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO) en Arizona, un Programa de NOIRLab de NSF.
El equipo obtuvo espectros adicionales utilizando el Espectrógrafo Multiobjetos de Gemini (GMOS) en el telescopio Gemini Sur en Chile, una de las dos instalaciones del Observatorio Internacional Gemini, financiado en parte por la NSF y operado por NOIRLab de NSF, así como el DEep Imaging Multi-Object Spectrograph (DEIMOS) en el telescopio Keck II, ubicado en Maunakea, en Hawai‘i.
Este estudio es uno de los primeros en crear mapas 3D tan detallados de múltiples protocúmulos distantes. Los mapas permitieron al equipo predecir en qué tipo de cúmulos evolucionarán COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C. Descubrieron que ambos acabarán siendo más masivos que el cúmulo de galaxias más grande conocido en nuestro Universo local, el Cúmulo de Coma.
Además, determinaron que COSMOS-z3.1-A es algo aún más raro que un protocúmulo, que ya de por sí es bastante raro. Se trata de un proto-supercúmulo, es decir, el antepasado de un “cúmulo de cúmulos” de galaxias. Observado cuando el Universo tenía apenas 2.100 millones de años, se trata del proto-supercúmulo más antiguo y lejano jamás encontrado [2], y cuenta con una impresionante masa equivalente a 5.000 veces la de la Vía Láctea. “COSMOS-z3.1-A representa las regiones más extremas y más sobredensas del Universo”, afirma Ramakrishnan. Y añade: “¡Creemos que debería haber menos de un objeto de este tipo por cada 10.000 cúmulos de galaxias!”.
A partir de sus detallados mapas en 3D, el equipo concluye que estos antiguos protocúmulos son muy grumosos e irregulares, y que se encuentran en las intersecciones de múltiples filamentos de la red cósmica. Es la primera vez que los científicos observan directamente estas características en el Universo lejano, y las observaciones coinciden con las expectativas de los científicos sobre cómo se distribuye la materia a lo largo del cosmos.
Los modelos actuales sugieren que la formación de estructuras se produce de manera “ascendente”, es decir, las estructuras más pequeñas se forman primero y se fusionan para dar lugar a otras más grandes. Es probable que la subestructura grumosa que se observa en los mapas tridimensionales sea una prueba de este crecimiento ascendente. Los grumos se irán fusionando a medida que evolucionen los protocúmulos, dando lugar a cúmulos similares a los que vemos en el Universo local, cuya forma es mucho más redondeada.
Gracias a su amplio campo de visión y profundidad, ODIN se encuentra en una posición idónea para descubrir más de estas enormes estructuras cósmicas en el Universo lejano. “La metodología de reconstrucción tridimensional presentada en este trabajo será un componente vital de estos esfuerzos, lo que nos permitirá distinguir claramente los núcleos y las periferias de los protocúmulos, así como los filamentos cósmicos que los alimentan”, afirma Ramakrishnan.
El equipo espera realizar más descubrimientos en la próxima década, a medida que el Observatorio Vera C. Rubin de NSF–DOE lleve a cabo su innovadora Investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la posteridad (LSST, por sus siglas en inglés). Al capturar imágenes de todo el cielo del hemisferio sur en unas pocas noches, Rubin creará un extenso conjunto de datos que complementará las imágenes profundas de ODIN de la región del cielo que ambos mapeos tienen en común. En conjunto, los datos ofrecerán una visión profunda del Universo cercano y lejano, lo que permitirá a los científicos estudiar la evolución de los cúmulos de galaxias a lo largo del tiempo cósmico.
Esta animación muestra un modelo en 3D del proto-supercúmulo de galaxias recién descubierto denominado COSMOS-z3.1-A. Los círculos de color azul claro representan galaxias que son miembros confirmados de COSMOS-z3.1-A. El degradado de azul a morado de las nubes que las rodean representa la densidad de las galaxias en todo el proto-supercúmulo.
Créditos: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA/DSS2/Observatorio Vera C. Rubin de la NSF y el DOE. Agradecimientos: La versión original de este modelo 3D fue creada por A. Ortiz (Purdue). Procesamiento de imágenes: T. A. Rector (Universidad de Alaska Anchorage/NOIRLab de NSF), M. Zamani y D. de Martin (NOIRLab de NSF). Animaciones: R. Proctor.
