Se estudia por primera vez un filamento de materia oscura en 3D

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Artículo publicado el 16 de octubre de 2012 en ESA

Un grupo de astrónomos, usando el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA, ha estudiado un filamento gigante de materia oscura en 3D por primera vez. Extendiéndose a lo largo de 60 millones de años luz desde uno de los cúmulos de galaxias más masivo conocidos, el filamento es parte de la red cósmica que constituye la estructura a gran escala del universo, y es un resto de los primeros momentos tras el Big Bang. Si la alta masa medida para el filamento es representativa del resto del universo, entonces estas estructuras pueden contener más  de la mitad de la masa del universo.

Imagen de Hubble MACS J0717 © Crédito: ESA


La teoría del Big Bang predice que la variación de densidad de materia en los primeros momentos del universo llevó a que el grueso de materia en el cosmos se condensara en una red de filamentos entrelazados. Esta idea está apoyada por las simulaciones por ordenador de la evolución cósmica, que sugiere que el universo está estructurado como una red, con largos filamentos que conectan entre sí las posiciones de los cúmulos masivos de galaxias. Sin embargo, estos filamentos, aunque enormes, están hechos principalmente de materia oscura, que es increíblemente difícil de observar.

La primera identificación sólida de una sección de uno de estos filamentos se realizó a principios de año. Ahora, un equipo de astrónomos ha ido más lejos, estudiando una estructura de filamentos en tres dimensiones. Ver un filamento en 3D elimina muchos de los escollos que aparecen al estudiar la imagen plana de dicha estructura.

“Los filamentos de la red cósmica se extienden enormemente y son muy difusos, lo que hace que sean extremadamente difíciles de detectar, mucho menos estudiarlos en 3D”, dice Mathilde Jauzac (LAM, Francia y Universidad de KwaZulu-Natal, Sudáfrica), autora principal del estudio.

El equipo combinó imágenes de alta resolución de la región alrededor del cúmulo masivo de galaxias MACS J0717.5+3745 (o MACS J0717 para acortar), tomadas usando el Hubble, el telescopio Subaru de NAOJ y el Telescopio de Canadá-Francia-Hawái, con datos espectroscópicos de las galaxias en su interior tomadas por el Observatorio WM Keck y el Observatorio Géminis. Analizar conjuntamente estas observaciones ofrece una visión completa de la forma del filamento conforme se extiende desde el cúmulo de galaxias casi a lo largo de nuestra línea de visión.

La receta del equipo para estudiar el vasto pero difuso filamento combina varios ingredientes cruciales.

Primer ingrediente: Un objetivo prometedor. Las teorías de la evolución cósmica sugieren que los cúmulos de galaxias se forman donde se encuentran los filamentos de la red, y dichos filamentos canalizan lentamente la materia hacia los cúmulos. “En base a nuestro trabajo anterior con MACS J0717, sabemos que este cúmulo están creciendo de forma activa y, por tanto, es un objetivo principal para un estudio detallado de la red cósmica”, explica el coautor Harald Ebeling (Universidad de Hawái en Manoa, EEUU), que lideró el equipo que descubrió MACS J0717 hace casi una década.

Segundo ingrediente: Técnicas avanzadas de lentes gravitatorias. La famosa teoría general de la relatividad de Albert Einstein dice que el camino de la luz se curva cuando pasa a través, o cerca, de un objeto con una gran masa. Los filamentos de la red cósmica están compuestos en gran parte de materia oscura, la cual no puede observarse directamente, pero su masa es suficiente para curvar la luz y distorsionar las imágenes de las galaxias de fondo en un proceso conocido como lente gravitatoria. El equipo ha desarrollado nuevas herramientas para convertir las distorsiones de las imágenes en un mapa de masa.

Tercer ingrediente: Imágenes de alta resolución. Las lentes gravitatorias son un fenómeno sutil, y para estudiarlas se necesitan imágenes detalladas. Las observaciones de Hubble permitieron al equipo estudiar la deformación exacta de numerosas galaxias con lentes gravitatorias. Esto, a su vez, revela dónde se sitúan los filamentos ocultos de materia oscura. “El reto”, explica el coautor Jean-Paul Kneib (LAM, Francia), “era encontrar un modelo de la forma del cúmulo que encajase con todas las características de las lentes que habíamos observado”.

Por último: Las medidas de distancias y movimientos. Las observaciones de Hubble del cúmulo dan el mejor mapa bidimensional del filamento hasta el momento, pero para ver su forma en 3D se requería de observaciones adicionales. Las imágenes a color, así como las velocidades medidas para las galaxias mediante espectrómetros, usando datos de los telescopios Subaru, CFHT, WM Keck, y Géminis Norte (todos en Mauna Kea, Hawái), permitieron al equipo situar miles de galaxias dentro del filamento y detectar los movimientos de muchas de ellas.

Se construyó un modelo que combinase información posicional y de velocidad para todas esas galaxias y reveló la forma en 3D y la orientación de la estructura filamentosa. Como resultado, el equipo pudo medir las propiedades reales de esta esquiva estructura sin las incertidumbres y sesgos que aparecen en la proyección de la misma en dos dimensiones, como se suele hacer en tales análisis.

Los resultados obtenidos empujan los límites de las predicciones realizadas por el trabajo teórico y las simulaciones numéricas de la red cósmica. Con una extensión de al menos 60 millones de años luz, el filamento MACS J0717 es enorme incluso para las escalas astronómicas. Y si el contenido en masa medido por el equipo puede tomarse como muestra representativa de los filamentos cerca de los cúmulos gigantes, entonces estos difusos vínculos entre los nodos de la red cósmica pueden contener aún más masa (en forma de materia oscura) de lo que predicen los teóricos. Hasta más de la mitad de toda la masa del universo puede estar oculta en estas estructuras.

El próximo Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA, con fecha prevista para su lanzamiento en 2018, será una potente herramienta para detectar filamentos en la red cósmica, gracias a su mayor sensibilidad.


Fecha Original: 16 de octubre de 2012
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