Un equipo de investigadores del grupo de Cosmología del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ha obtenido una de las medidas más precisas de la masa que contienen los cúmulos de galaxias y su relación con la cantidad de gas caliente en dichas estructuras. Para ello, se ha estudiado la dinámica de las galaxias en 570 cúmulos seleccionados a partir de los catálogos que proporcionó el satélite Planck (ESA). Este estudio ha culminado un esfuerzo observacional de cuatro años, en el que se han obtenido más de 10.000 espectros en el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) y el Gran Telescopio Canarias (GTC), ubicados en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), así como datos del archivo público del Sloan Digital Sky Survey (SDSS). El resultado permite inferir la cantidad de materia oscura que existe en el Universo.

Los cúmulos de galaxias son las mayores estructuras ligadas gravitatoriamente en el Universo. La caracterización de su distribución espacial y temporal proporciona una de las herramientas más poderosas de la cosmología moderna para determinar el origen y el contenido energético del Universo, el ritmo de expansión durante la evolución cósmica y los detalles del proceso de formación de todas las estructuras a gran escala que observamos en el Universo hoy día.

Estas inmensas agrupaciones no sólo están constituidas por galaxias, las cuales apenas conforman un 2% de la masa total de los cúmulos. Además, contienen gas extremadamente caliente, que da cuenta del 15% de su masa, y mucha materia oscura, más de un 80% de la masa total. Esta naturaleza “multicomponente” de los cúmulos de galaxias hace que se puedan estudiar haciendo uso de una gran variedad de técnicas observacionales. Así, mientras que el gas caliente puede observarse en rayos X y microondas, la componente galáctica es principalmente visible en el óptico e infrarrojo.

Por otro lado, para estudiar la distribución de la materia oscura, se usan varios métodos indirectos. Generalmente, la masa total (incluyendo la componente oscura) se suele trazar usando el efecto de lente gravitatoria que produce la gran concentración de materia de los cúmulos sobre las imágenes de objetos que se encuentran a lo largo de la línea de visión de los mismos. Estas medidas suelen proporcionar una alta precisión. Sin embargo, este nuevo estudio ha usado la medida de las velocidades de las galaxias para inferir la gravedad total presente en estas estructuras, logrando por primera vez una precisión comparable a las medidas del efecto de lente gravitatoria.

A través de los mapas de microondas del satélite Planck, también se ha podido estimar cuánta masa en gas contienen los cúmulos y, de manera indirecta, inferir la masa total. Cabría esperar que todas estas técnicas coincidan, arrojando un valor único para la masa de los cúmulos. Sin embargo, esto no sucede, debido a que cada técnica adolece de ciertas diferencias intrínsecas. Pero comparándolas, se puede conocer de forma precisa dichas diferencias y, por tanto, conocer mejor la masa real de los cúmulos de galaxias.

Hito histórico en la precisión de las medidas

Con este objetivo en mente, el equipo de investigadores ha recurrido a los dos catálogos PSZ1 y PSZ2 de cúmulos de galaxias detectados por el satélite Planck y que ofrecen una estimación de la masa de los cúmulos a partir de su señal en microondas. Por otro lado, la masa dinámica de estos cúmulos, ha podido estimarse midiendo las velocidades radiales de las galaxias con técnicas de espectroscopia. Estas observaciones han sido realizadas en el Telescopio Nazionale Galileo (TNG) y el Gran Telescopio Canarias (GTC) del Observatorio del Roque de los Muchachos. “Hemos realizado un gran esfuerzo observacional durante años, con el que hemos explorado más de 400 cúmulos de galaxias de los catálogos PSZ1 y PSZ2”, apunta Rafael Barrena, astrofísico del IAC y miembro del grupo de investigadores.

"Los resultados obtenidos para el catálogo PSZ1 de Planck muestran que las estimaciones de masa según la cantidad de gas proporcionan valores un 20% menores que los basados en la dinámica de sus galaxias“, señala Antonio Ferragamo, investigador del IAC que ha centrado su tesis doctoral en el presente estudio. “Estos resultados se confirman para los cúmulos del catálogo PSZ2 de Planck ­y son compatibles con medidas que otros autores han obtenido aplicando técnicas diferentes (rayos X, efecto lente gravitatoria, etc.)”, explica.

Por su parte, Alejandro Aguado, investigador del IAC que también ha realizado su tesis doctoral basándose en los resultados de este trabajo, destaca que “la importancia del estudio radica, por un lado, en la alta precisión obtenida para la medida dinámica de la masa, con un error menor del 10%, lo cual supone un hito en el histórico de medidas de esta magnitud; y por otro lado, su consistencia con el valor estimado por el consorcio Planck (Planck Col. XX, 2014)”. Y añade: “Hoy, muy pocas medidas ofrecen un error estadístico tan bajo y esto es debido a la gran cantidad de cúmulos usados en la muestra”.

Nuevos interrogantes en la Cosmología

Desde una perspectiva cosmológica, la confirmación de este valor plantea nuevas incógnitas. “Con los datos del satélite Planck encontramos que hay una aparente tensión entre la cantidad de materia oscura del Universo predicha a partir de las medidas de abundancia de cúmulos de galaxias y la inferida a partir de los mapas del fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación fósil procedente de los orígenes del Universo”, explica José Alberto Rubiño, astrofísico del IAC y miembro del grupo de investigadores. “Los valores de materia oscura inferidos a partir de las abundancias de cúmulos de galaxias son un 5% mayores que los que se basan en medidas del CMB y, a su vez, estas últimas indican que la cantidad de cúmulos de galaxias que hemos detectado debería haber sido ligeramente superior”, señala.

Los resultados encontrados con este trabajo, que han sido publicados recientemente en la revista especializada Astronomy & Astrophysics, demuestran que las abundancias de cúmulos de galaxias y los datos del CMB producen modelos cosmológicos ligeramente diferentes, una tensión que ya fue anticipada por la colaboración Planck. "Si la diferencia entre la masa inferida a partir del gas y la masa dinámica hubiera resultado ser de alrededor del 35% en lugar del 20% como medimos, esta ligera tensión entre los modelos cosmológicos reconstruidos habría desaparecido", apunta Rubiño. “Resolver esta discrepancia puede proporcionarnos una herramienta para determinar en el futuro la masa de los neutrinos a través de sus efectos en Cosmología o incluso darnos indicios de la necesidad de introducir modificaciones al modelo cosmológico estándar o a la Relatividad General”, subraya el investigador.

“La explicación de esta aparente discrepancia es uno de los grandes interrogantes en la cosmología actual, que permanece después de nuestro trabajo y que habrá que continuar investigando en años venideros”, señala Barrena. "Misiones espaciales tales como EUCLID (ESA) o Litebird (JAXA/ESA), en las que el IAC participa activamente, jugarán un papel esencial en un futuro muy cercano”, concluye.

Otros investigadores del IAC que han participado en este proyecto son: Alina Streblyanska, Denis Tramonte, Ricardo Génova Santos,  Angela Hempel y Heidi Lietzen.

El Gran Telescopio Canarias y los Observatorios del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) forman parte de la red de Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) de España.

Artículos vinculados:

Ferragamo et al: ”Velocity dispersion and dynamical mass for 270 galaxy clusters in the Planck PSZ1 catalogue”, Astronomy and Astrophysics, Volume 655, November 2021. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202140382

Aguado-Barahona et al: “Velocity dispersion and dynamical masses for 388 galaxy clusters and groups. Calibrating the MSZ-Mdyn scaling relation for the PSZ2 sample”, Astronomy and Astrophysics, November 2021. DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039980

Contacto:

Rafael Barrena, rbarrena [at] iac.es (rbarrena[at]iac[dot]es)
José Alberto Rubiño Martín. jalberto [at] iac.es (jalberto[at]iac[dot]es)