Un equipo internacional liderado por el grupo de Cosmología con cúmulos de galaxias del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), y en el que participan investigadores de otras instituciones, como la Universidad de París-Saclay (Francia) o el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (Garching, Alemania), ha concluido la caracterización óptica de nuevos cúmulos de galaxias detectados por el satélite Planck en el hemisferio norte a través de su señal Sunyaev-Zel’dovich. Estos estudios permitirán determinar con mayor precisión la densidad de materia en el Universo y otros parámetros cosmológicos.

Las observaciones, que han durado más de 4 años, han sido realizadas desde los telescopios del Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma), en el marco de dos proyectos internacionales, incluyendo un programa de Tiempo Internacional. Se han estudiado más de 400 fuentes asociadas a emisión Sunyaev-Zel´dovich, caracterizando fotométrica y espectroscópicamente 221 nuevos cúmulos de galaxias con el Gran Telescopio Canarias (GTC) y los telescopios Nazionale Galileo (TNG), William Herschel (WHT) e Isaac Newton (INT), los dos últimos del Grupo de Telescopios Isaac Newton (ING).

Efecto Sunyaev–Zel'dovich

El efecto Sunyaev–Zel'dovich (SZ) se produce por la distorsión de la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés) en la dirección de un cúmulo de galaxias, debido a un mecanismo llamado dispersión Compton inversa. Este mecanismo tiene lugar cuando los electrones de alta energía del gas caliente de los cúmulos interactúan con los fotones del CMB que los atraviesa. El efecto neto que se produce en este proceso se traduce en una distorsión en el espectro del CMB.

Midiendo estas señales en los mapas de Planck a diferentes frecuencias, es posible detectar los cúmulos de galaxias que originan esta distorsión. El efecto SZ es independiente de la distancia a la que se encuentra el cúmulo que lo produce, por tanto, es necesario caracterizar las muestras de fuentes SZ identificando los cúmulos a los cuales están asociadas, sus distancias y sus masas, con el objetivo de que estas muestras sean útiles para ulteriores estudios cosmológicos.

En la última década, esta técnica ha sido aplicada para la realización de catálogos de cúmulos de galaxias a partir de datos obtenidos por telescopios como el Telescopio del Polo Sur (SPT), el Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT), o incluso los recabados desde el espacio por el satélite Planck. Así, en 2013 y 2015, el consorcio Planck publicó dos catálogos, el PSZ1 y PSZ2, que en su conjunto incluían casi 2.000 fuentes SZ detectadas en la totalidad del cielo.

“Estas muestras –explica José Alberto Rubiño Martín, astrofísico del IAC e investigador principal del proyecto- son especialmente útiles en Cosmología porque la abundancia de cúmulos de galaxias según sus masas y distancias es muy sensible a los parámetros del modelo cosmológico, proporcionando así una herramienta independiente para su determinación y comparación con otras técnicas (supernovas, CMB…)”. Muchas de las fuentes SZ de estos catálogos coinciden con cúmulos ya conocidos. No así un tercio de estas muestras, por lo que se hacía imprescindible su validación y caracterización. En este contexto, una importante contribución del IAC al consorcio Planck (ESA) en estos últimos años ha sido la caracterización desde los telescopios del Observatorio del Roque de los Muchachos de aquellas fuentes SZ de los catálogos PSZ1 y PSZ2 visibles desde Canarias.

Metodología

El método de observación empleado consistió, en primer lugar, en la obtención de imágenes profundas en el óptico en la ubicación de las fuentes SZ, con las que era posible localizar las regiones donde se acumulan las galaxias, obtener las primeras estimaciones del desplazamiento al rojo (z) fotométrico y estimar la riqueza de los sistemas de galaxias detectados. La validación óptica de los cúmulos como contrapartidas reales de las fuentes SZ se realizó basada en la distancia al pico de emisión SZ y en su riqueza.

En un segundo paso, los cúmulos fueron observados con técnicas de espectroscopia multiobjeto que ofrecen los espectrógrafos OSIRIS (GTC) y DOLORES (TNG). Los cúmulos más lejanos (a z>0,4) se observaron en el GTC y los más cercanos (a z<0,4) en el TNG. La espectroscopia multiobjeto permite obtener las velocidades radiales de multitud de galaxias de los cúmulos, con las que es posible calcular su dispersión de velocidad y, por tanto, en último término, obtener sus masas dinámicas.

En otras palabras, las velocidades con las que se mueven las galaxias nos indican cuánta masa contienen los cúmulos que las alberga. Es de esperar que, dada la sensibilidad de detección de los instrumentos a bordo del satélite Planck, sólo aquellos cúmulos más masivos, con masas superiores a 1 o 2x10^14 masas solares masas solares, puedan generar un efecto SZ detectable y, por tanto, ser contrapartidas realistas de dicha emisión.

“Hemos realizado un gran esfuerzo observacional, con el que hemos explorado más de 50 grados cuadrados del cielo y obtenido más de 10.000 espectros de galaxias” -explica Alina Streblyanska, astrofísica del IAC y miembro del grupo de investigación-, y hemos puesto todos estos datos en archivos de acceso público”.

Aplicando esta técnica, se han estudiado más de 400 fuentes SZ con contrapartidas en el óptico previamente desconocidas, permitiendo confirmar y caracterizar la presencia de 221 nuevos cúmulos de galaxias. El resto de objetos (un 40% de esas 400 fuentes) no presentan contrapartidas detectables, y podrían estar asociados a detecciones falsas debidas a emisiones de baja señal-ruido en los mapas SZ de Planck.

“Este proceso de caracterización detallada de los catálogos es determinante para poder conocer de un modo fiel la función de selección del satélite Planck en estos dos grandes mapeos del cielo en el rango de las microondas –apunta José Alberto Rubiño-. Este conocimiento es esencial para poder abordar los estudios cosmológicos, que ahora podrán realizarse de manera más precisa”.

“El 40% de las fuentes estudiadas mostraba una relación casi perfecta con la emisión térmica del polvo de nuestra galaxia en la banda de 857GHz -señala el investigador del IAC y miembro del equipo Rafael Barrena-, confirmando así que la principal fuente de contaminación a baja señal-ruido en SZ de los mapas de Planck se debe a fuentes no gaussianas del fondo, ligadas principalmente a la emisión térmica difusa de las nubes de polvo de la Vía Láctea”.

Los resultados de estas investigaciones han sido publicados en 6 artículos científicos en la revista Astronomy & Astrophysics, los cuales fueron liderados a lo largo de estos años por José Alberto Rubiño (IP), Rafael Barrena y Alina Streblyanska (investigadores postdoctorales), y A. Aguado Barahona (estudiante de doctorado del IAC y la ULL).

“Ahora, el siguiente paso es determinar la relación entre la masa de los cúmulos obtenida a partir de la emisión SZ y la determinada dinámicamente, con el objetivo de estudiar los posibles sesgos en la estimación de masas a partir de dichas técnicas. Nuestros estudios preliminares apuntan a un valor de Msz/Mdyn en torno a 0,9”, añade Antonio Ferragamo, que recientemente ha terminado su doctorado en el IAC, siguiendo esta línea de investigación.

“Si logramos caracterizar esta relación con una precisión del 2 o 3%, podremos determinar de manera más precisa los parámetros cosmológicos, principalmente la normalización del espectro de potencias de la materia (σ8), la densidad de materia ordinaria (Ωm) y, quizá, restringir la masa de las tres familias de neutrinos. Este es nuestro último objetivo”, indica Rubiño.

Según Rafael Barrena, “estos resultados podrían arrojar luz sobre las discrepancias entre los resultados en la estimación de σ8 a partir de datos del CMB y otras técnicas experimentales, como es la basada en la abundancia de cúmulos de galaxias”.

Estas investigaciones en Cosmología observacional con cúmulos de galaxias se complementarán en un futuro próximo con proyectos ya en marcha, como WEAVE Cosmological Cluster survey (WCC), en coordinación con el Observatorio de Leiden (Holanda) y la Universidad de Bolonia (Italia), entre otros, y el NIKA2 LPSZ Optical Follow-up, en colaboración con la Universidad de Grenoble Alpes (Francia).

Otros investigadores del IAC que han participado en este proyecto son Ricardo Génova, Inés Flores, Angela Hempel, Heidi Lietzen, Denis Tramonte y Rafael Rebolo.

Artículos vinculados:

Barrena et al. (2020): https://arxiv.org/pdf/2004.07913.pdf

Aguado-Barahona et al. (2019): https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2019/11/aa36034-19.pdf

Barrena et al. (2018): https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2018/08/aa32315-17/aa32315-17.html

Streblyanska et al. (2019):  https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2019/08/aa35674-19.pdf

Streblyanska et al. (2018): https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2018/09/aa32306-17/aa32306-17.html

Planck intermediate results. XXXVI: https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2016/02/aa26345-15.pdf

Contacto:

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