Un equipo científico internacional, en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha descubierto una gran reserva de gas caliente en un cúmulo de galaxias aún en formación alrededor de la Galaxia Telaraña. El hallazgo revela que este protocúmulo, lejos de dispersarse, acabará unido gravitacionalmente el resto de su existencia. Localizado en una época en la que el Universo tenía 3.000 millones de años, es la primera vez que se detecta este tipo de plasma térmico a distancias tan lejanas. El estudio, que se publica en la revista Nature, confirma que los cúmulos de galaxias, una de las estructuras más grandes conocidas en el Universo, comienzan a formarse en épocas muy tempranas. 

Los cúmulos de galaxias albergan un gran número de galaxias, a veces incluso miles. También contienen un vasto "medio intracúmulo" de gas (ICM, por sus siglas en inglés) que impregna el espacio entre las galaxias. De hecho, la masa de este gas es mayor que la de todas las galaxias que forman el cúmulo. Algunas de estas agrupaciones galácticas son tan masivas que concentran el gas y lo calientan al caer hacia ellas.  

Hasta ahora, el ICM sólo se había estudiado en cúmulos de galaxias cercanos completamente formados, pero nunca en protocúmulos lejanos, es decir, cúmulos de galaxias aún en formación. "Las simulaciones cosmológicas llevan más de una década prediciendo la presencia de gas caliente en los protocúmulos, pero faltaban confirmaciones observacionales", explica Luca Di Mascolo, investigador de la Universidad de Trieste (Italia) y primer autor del estudio.

Para conseguir esa confirmación observacional, el equipo científico seleccionó cuidadosamente uno de los candidatos más prometedores, el protocúmulo de la Telaraña, situado en una época en la que el Universo tenía sólo 3.000 millones de años. Al estudiarlo, el personal investigador detectó una gran reserva de gas caliente a una temperatura de unas decenas de millones de grados centígrados, lo que indicaría que el sistema, lejos de dispersarse, se convertirá en un cúmulo de galaxias unido gravitacionalmente durante el resto de su existencia.

Una estructura en crecimiento

Para la detección el equipo utilizó lo que se conoce como “efecto térmico Sunyaev-Zeldovich” (SZ). Este efecto se produce cuando la luz del fondo cósmico de microondas, la radiación fósil procedente del Big Bang, atraviesa el ICM. Cuando esta luz interactúa con los electrones que se mueven rápidamente en el gas caliente, su longitud de onda cambia ligeramente. "A las frecuencias adecuadas, el efecto SZ aparece como un efecto de sombra de un cúmulo de galaxias sobre el fondo cósmico de microondas", explica Helmut Dannerbauer, investigador del IAC y coautor del estudio.

Al medir estas sombras en el fondo cósmico de microondas, los astrónomos pueden inferir la existencia del gas caliente, estimar su masa y presión, y mapear su forma. Estas medidas han sido posibles gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ubicado en el en el desierto de Atacama, en Chile. "Gracias a su resolución y sensibilidad sin precedentes, ALMA es la única instalación actualmente capaz de realizar una medición de este tipo para los progenitores distantes de cúmulos masivos", señala Di Mascolo.

Anteriormente se había detectado gas frío en este protocúmulo, pero la masa del gas caliente hallado en este nuevo estudio lo supera en miles de veces. “Este hallazgo demuestra que se espera que el protocúmulo de la Telaraña se convierta en un cúmulo de galaxias masivo en unos 10.000 millones de años, y que su masa se multiplique al menos por diez”, explica Elena Rasia, investigadora del Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) de Trieste (Italia) y coautora del estudio.

Para el equipo científico este sistema exhibe enormes contrastes ya que el componente térmico caliente destruirá gran parte del componente frío a medida que el sistema evolucione. “Estamos siendo testigos de una transición delicada ­–añade Tony Mroczkowski, investigador del Observatorio Europeo Austral (ESO) y coautor del artículo–. El estudio confirma las predicciones teóricas sobre la formación de las mayores estructuras unidas gravitatoriamente del Universo”.

En los próximos meses está previsto observar esta estructura con el telescopio espacial James Webb (JWST) a través de un programa que lidera el IAC. “Gracias a este programa de observaciones de primer ciclo con el JWST hemos obtenido además una beca postdoctoral de excelencia (Marie Sklodowska-Curie Fellow) que otorga la Unión Europea", destaca Dannerbauer­, quien dirigirá este programa científico. “Se trata de una oportunidad única que acredita el valor científico de este objeto y lo importante que es para la investigación astrofísica entender la formación y evolución de estas 'ciudades de galaxias'”, concluye.

Artículo: Luca Di Mascolo et al. “Forming intracluster gas in a galaxy protocluster at a redshift of 2.16”, Nature, DOI: 10.1038/s41586-023-05761-x

Contacto en el IAC:
Helmut Dannerbauer, helmut [at] iac.es (helmut[at]iac[dot]es)