El blog de Antares: Cosmologia

Label: Cosmologia

Este trabajo es el primero que se publica íntegramente con datos obtenidos con EMIR, un instrumento desarrollado en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), que analiza la luz infrarroja recogida por el Gran Telescopio Canarias (GTC), desde el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma).

Los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de muchas galaxias parecen tener una influencia fundamental en la evolución de las mismas. Esto ocurre durante una fase en la que el agujero negro está consumiendo material de la galaxia donde reside a un ritmo muy elevado, haciéndose cada vez más pesado. Durante esta fase se dice que la galaxia contiene un núcleo activo (o AGN, por sus siglas en inglés).

El efecto que esa actividad nuclear tiene en la galaxia anfitriona es lo que se conoce como retroalimentación del AGN, y una de sus manifestaciones son los vientos: se trata de gas del centro de la galaxia que está siendo empujado hacia fuera por la energía que libera el núcleo activo. Estos vientos pueden alcanzar velocidades de hasta miles de km/s y en el caso de los AGN más enérgeticos, como son por ejemplo los cuásares, pueden llegar a "vaciar" de gas el centro de las galaxias, impidiendo así la formación de nuevas estrellas. Se ha demostrado que la evolución de la formación estelar a nivel cosmológico no se puede explicar sin la existencia de un mecanismo que la regule.

Para el estudio de estos vientos en cuásares se ha utilizado el instrumento EMIR instalado en el Gran Telescopio de Canarias (GTC). EMIR es un instrumento desarrollado íntegramente en el Instituto de Astrofísica de Canarias, que estudia los objetos más fríos y distantes del Universo analizando la luz infrarroja. Desde junio de 2016 se encuentra acoplado al telescopio GTC, después de haber pasado por una exhaustiva fase de pruebas en los talleres del Área de Instrumentación de la sede central del IAC en La Laguna.

Los datos que ha recogido desde entonces han servido para producir varios artículos científicos, el último de los cuales es un estudio sobre el cuásar oscurecido J1509+0434, publicado hoy en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters y elaborado por un equipo internacional que lidera la investigadora del IAC, Cristina Ramos Almeida. Este cuásar se encuentra en el Universo Local, y es un análogo de los cuásares más distantes (mucho más numerosos) en los cuales la retroalimentación del AGN debía estar afectando de forma drástica a la formación de nuevas estrellas.

"EMIR nos ha permitido estudiar los vientos de gas ionizado y molecular de este cuásar haciendo uso del rango infrarrojo. Este análisis es muy importante porque no siempre presentan las mismas propiedades, lo cual nos dice mucho sobre cómo se producen esos vientos y cómo afectan a sus galaxias anfitrionas”, explica Ramos Almeida. El estudio de este y otros cuásares locales nos permitirá entender qué les estaba pasando a las galaxias cuando eran más jóvenes y estaban aún formando las estructuras que vemos hoy en día.

Basándose en los nuevos datos obtenidos con EMIR, el equipo ha descubierto que el viento ionizado es más rápido que el molecular, llegando a alcanzar velocidades de hasta 1.200 km/s. Sin embargo, sería el viento molecular el que estaría vaciando las reservas de gas de la galaxia (hasta 176 masas solares por año). “Nuevas observaciones obtenidas con ALMA nos permitirán confirmar esta estimación”, señala José Acosta Pulido, investigador del IAC y coautor del trabajo.

El siguiente paso es observar una muestra completa de cuásares oscurecidos cercanos con EMIR para caracterizar sus vientos ionizados y moleculares. También queremos investigar las poblaciones de las galaxias anfitrionas, con el objetivo de ver si los vientos más extremos son los que han afectado más significativamente a las estrellas de sus galaxias anfitrionas. Esto nos permitiría confirmar de manera directa el efecto de la retroalimentación del AGN sobre la evolución de las galaxias.

Artículo: C. Ramos Almeida, J. A. Acosta-Pulido, C. N. Tadhunter, C. González-Fernández, C. Cicone, M. Fernández-Torreiro. A near-infrared study of the multi-phase outflow in the type-2 quasar J1509+0434. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, slz072, https://doi.org/10.1093/mnrasl/slz072

IAC

La colaboración científica LIGO y Virgo ha anunciado la detección de cuatro ondas gravitatorias fruto de la fusión de agujeros negros de masa estelar. La Universitat de les Illes Balears ha contribuido a la observación y análisis de las señales. Los observatorios publican el primer catálogo de acontecimientos de ondas gravitacional.

La Colaboración Científica LIGO y VIRGO, su homólogo europeo, han anunciado cuatro nuevas detecciones de ondas gravitacionales fruto de la fusión de agujeros negros de masa estelar. Estos resultados, procedentes de los detectores de ondas gravitacionales LIGO, operados por la Fundación Nacional para la Ciencia de los Estados Unidos (NSF) y Virgo, se dieron a conocer el sábado 1 de diciembre, en el marco del Congreso de Física de Ondas Gravitacionales y Astronomía, que ha tenido lugar en la ciudad de College Park (Maryland, EE UU).

Hasta el momento, LIGO y Virgo han permitido detectar en total diez fusiones de agujeros negros de masa estelar y una fusión de estrellas de neutrones, que son los restos densos y esféricos del colapso de estrellas. De estas diez fusiones de agujeros negros, hay cuatro que corresponden a la nueva tanda de detecciones, mientras que las seis restantes ya se habían presentado otras veces.

Las cuatro nuevas ondas han sido etiquetadas como GW170729, GW170809, GW170818, y GW170823 en referencia a la fecha de sus detecciones, que se produjeron en el segundo periodo de observación, entre el 30 de noviembre de 2016 y el 25 de agosto de 2017.

Todas están recogidas en el catálogo que fue publicado el pasado sábado, que incluye toda la información relativa en estos acontecimientos.

Mapa de las once ondas gravitacionales detectadas. / UIB

La contribución balear

El Grupo de Relatividad y Gravitación (GRG) de la Universitat de les Illes Balears (UIB), bajo la dirección de Alicia M. Sintes, ha hecho importantes contribuciones a la observación y análisis de las señales detectadas.

Una de las aportaciones clave de este grupo ha sido la provisión de modelos de señales procedentes de la fusión de sistemas binarios de agujeros negros. Estos modelos se utilizan para contrastar las predicciones de la teoría con los datos observados y son capaces de dar información sobre la masa de los agujeros negros involucrados, así como de la rotación o de las velocidades.

“Es muy satisfactorio observar que toda esta ardua tarea permite revelar y entender nuevas visiones del universo”, comenta Sascha Husa

“Pasamos la mayor parte del tiempo ante un ordenador, calculando. Es muy satisfactorio observar que toda esta ardua tarea permite revelar y entender nuevas visiones del universo. Los estudiantes y posdoctorados colaboran en una revolución científica. Me alegra saber que forman parte de esta experiencia tan extraordinaria”, comenta Sascha Husa, que ha dirigido los esfuerzos del grupo en el modelado de agujeros negros.

Uno de los investigadores posdoctorales del grupo de la UIB, Geraint Pratten, ha trabajado en el análisis de una de las nuevas detecciones, la GW170809: “La colaboración vive un periodo emocionante ante un número tan elevado de detecciones. La GW170809 es uno de los acontecimientos observados durante el segundo periodo de observación (O2) en los cuales están involucrados agujeros negros de elevada masa estelar. Es similar a la primera detección, la GW150914, y ayudará a conocer más bien la población de sistemas binarios de agujeros negros que observamos actualmente”.

El tercer periodo de observación (O3) empezará a principio de 2019, con una mejora de la sensibilidad de los detectores. Prevén detectar decenas de sistemas binarios a lo largo del año, y necesitarán modelos más precisos con el fin de extraer la máxima información posible de estos acontecimientos.

Alícia Sintes está emocionada por la creciente participación española en el campo de las ondas gravitacionales: “La comunidad española de ondas gravitacionales aumenta muy rápidamente. Hemos pasado de ser los únicos en el campo, hace tres años, a disponer de dos grupos en LIGO y tres en Virgo. Estamos orgullosos de haber allanado el camino”.

Además, también plantea los próximos retos: “Impulsamos la astronomía de ondas gravitacionales un poco más allá. Queremos observar ondas gravitacionales con la misión LISA de aquí a aproximadamente quince años. Trabajamos mucho para conseguir que nuestros estudiantes constituyan la vanguardia del campo en el futuro”.

Detecciones de récord

Algunas de estas nuevas detecciones han batido récords. Por ejemplo, el acontecimiento GW170729, detectado el día 29 de julio de 2017 durante el segundo periodo de observación. Este acontecimiento fue generado por la fuente de ondas gravitacionales más lejana y masiva hasta ahora nunca observada. Tuvo lugar hace aproximadamente cinco mil millones de años, y liberó una energía equivalente a cinco masas solares en forma de ondas gravitacionales.

“La comunidad española de ondas gravitacionales aumenta muy rápidamente. Estamos orgullosos de haber allanado el camino”, dice Sintes

El detector Advanced Virgo se unió al segundo periodo de observación el día 1 de agosto de 2017, y dio lugar a la primera detección simultánea de tres observatorios y a la primera relevante de Virgo: la colisión de agujeros negros GW170814. Este acontecimiento fue el primero a ser observado por tres detectores trabajando de manera simultánea, hecho que permitió analizar, por primera vez, la polarización de las ondas gravitacionales (análoga a la polarización de la luz).

El acontecimiento GW170817, detectado tres días después del GW170814, fue la primera observación de un acontecimiento procedente de la fusión de un sistema binario de estrellas de neutrones. Además, fue observado mediante luz, fijando un hito histórico a la astronomía de multimensajeros, en la cual los objetos cósmicos son observados simultáneamente mediante diferentes formas de radiación.

Finalmente, fue posible dar con mucha precisión la posición celeste de uno de los nuevos acontecimientos, el GW170818, detectado conjuntamente por la red de detectores formada por los observatorios LIGO y Virgo. La posición en la vuelta celeste de esta fusión de agujeros negros, situada a 2,5 miles de millones de años luz de la Tierra, fue identificada con una precisión de 39 grados cuadrados, convirtiéndola en la segunda mejor fuente de ondas gravitacionales en cuanto a su localización, solo por detrás de la fusión de estrellas de neutrones GW170817. Así, el acontecimiento GW170818 remarca el potencial científico que tiene la red de detectores de ondas gravitacionales que conforman LIGO y Virgo.

“El próximo periodo de observación, que empezará la primavera de 2019, conseguirá detectar más acontecimientos de ondas gravitacionales, y la ciencia que la comunidad puede conseguir crecer en consecuencia”, afirma David Shoemaker, portavoz de la Colaboración Científica de LIGO (LSC, en inglés) e investigador sénior al Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial (MIT). "Vivimos un tiempo emocionante”.

SINC

Observaciones hechas con ALMA, junto con datos obtenidos con el espectrógrafo MUSE, instalado en el VLT de ESO, han revelado la existencia de una colosal fuente de gas molecular alimentado por un agujero negro en la galaxia más brillante del cúmulo Abell 2597. Es la primera vez que se observa en un sistema todo el ciclo galáctico de entrada y salida que alimenta a esta gigantesca fuente cósmica.

A tan solo mil millones de años luz, en el cercano cúmulo de galaxias conocido como Abell 2597, hay una gigantesca fuente galáctica. En el corazón de una galaxia distante se ha observado un agujero negro masivo bombeando un gran chorro de gas molecular frío hacia el espacio, que luego vuelve a caer sobre el agujero negro cual diluvio intergaláctico. La entrada y salida de materia de tamaña fuente cósmica nunca habían sido observadas juntas, y tienen su origen en el interior de la galaxia más brillante del cúmulo Abell 2597, a 100.000 años-luz.

"Posiblemente, este sea el primer sistema en el cual encontramos evidencias claras de ambos flujos de gas molecular: el frío que va hacia el agujero negro y el que sale o se eleva desde los chorros que lanza el agujero negro", explica Grant Tremblay, investigador del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y antiguo becario de ESO, que dirigió este estudio. "El agujero negro supermasivo del centro de esta galaxia gigante actúa como una bomba mecánica en una fuente".

Tremblay y su equipo utilizaron ALMA para rastrear la posición y el movimiento de las moléculas de monóxido de carbono dentro de la nebulosa. Se descubrió que estas moléculas frías, con temperaturas tan bajas como 250–260° C bajo cero, caían hacia el agujero negro. El equipo también utilizó datos de MUSE, un instrumento del VLT (Very Large Telescope) de ESO, para estudiar el gas más caliente, lanzado fuera del agujero negro en forma de chorros.

"Aquí lo destacado es el análisis acoplado, muy detallado, de la fuente, utilizando datos de ALMA y MUSE", explica Tremblay. "Las dos instalaciones combinadas ofrecen un resultado increíblemente potente".

Unidos, estos dos conjuntos de datos forman una imagen completa del proceso; el gas frío cae hacia el agujero negro, encendiendo el agujero negro y provocando que este lance chorros rápidos de plasma incandescente hacia el vacío. Luego, estos chorros emergen del agujero negro formando una espectacular fuente galáctica. Sin esperanza de escapar de las garras gravitatorias de la galaxia, el plasma se enfría, se ralentiza y, finalmente, cae de nuevo hacia el agujero negro en forma de lluvia, donde el ciclo vuelve a empezar.

Esta observación sin precedentes podría arrojar luz sobre el ciclo de vida de las galaxias. El equipo especula que este proceso puede ser no sólo común, sino también esencial para comprender la formación de la galaxia. Aunque ya se habían detectado previamente tanto la entrada como la salida de gas molecular frío, esta es la primera vez que ambos fenómenos se han detectado dentro de un mismo sistema, y por lo tanto la primera evidencia de que forman parte del mismo gran proceso.

Abell 2597 se encuentra en la constelación de Acuario y se llama así por estar incluido en el Catálogo Abell de ricos cúmulos de galaxias. El catálogo también incluye cúmulos como el cúmulo de Fornax, el cúmulo de Hércules, o el cúmulo de Pandora.

Directed by: Nico Bartmann.
Editing: Nico Bartmann.
Web and technical support: Mathias André and Raquel Yumi Shida.
Written by: Sara Rigby and Calum Turner.
Music: written and performed by STAN DART(www.stan-dart.com).
Footage and photos: ESO, Digitized Sky Survey 2, N. Risinger (skysurvey.org), ALMA (NAOJ/NRAO), Tremblay et al, AUI/NSF, B. Saxton, NASA/Chandra, ESA/Hubble, L. Calçada.
Executive producer: Lars Lindberg Christensen.

ESO

El instrumento GRAVITY de ESO confirma el estado del agujero negro que está en el centro de la Vía Láctea

El instrumento GRAVITY de ESO que se caracteriza por ser extremadamente sensible ha sumado más pruebas a la antigua suposición de que un agujero negro supermasivo se esconde en el centro de la Vía Láctea. Nuevas observaciones muestran aglomeraciones de gas girando a aproximadamente un 30% de la velocidad de la luz en una órbita circular justo a las afueras de su horizonte de sucesos. El primer material fue observado orbitando cerca del punto de no retorno, y las observaciones más detalladas ya muestran material orbitando muy cerca de un agujero negro.

El instrumento GRAVITY de ESO instalado en el interferómetro del Very Large Telescope (VLT) lo han usado científicos de un consorcio de instituciones europeas, incluyendo a ESO [1], para observar destellos de radiación infrarroja provenientes del disco de acreción alrededor de Sagitario A*, el objeto masivo en el corazón de la Vía Láctea. Los destellos observados entregan la confirmación esperada por tanto tiempo de que el objeto en el centro de nuestra galaxia es, como se ha asumido por largo tiempo, un agujero negro supermasivo. Los destellos se originan del material que orbita muy cerca del horizonte de sucesos del agujero negro, haciendo de éstas las observaciones más detalladas que existen de material orbitando tan cerca de un agujero negro.

Mientras parte del material en el disco de acreción — el cinturón de gas que orbita Sagitario A* a velocidades relativistas [2] — puede orbitar el agujero negro de forma segura, cualquier cosa que se acerque demasiado está destinada a ser atraída más allá del horizonte de sucesos. El punto más cercano a un agujero negro que puede orbitar ese material sin ser inevitablemente atraído hacia dentro por la inmensa masa se conoce como la órbita estable más cercana, y es desde aquí que se originan los destellos observados.

"Es alucinante ver efectivamente material orbitando un agujero negro masivo a un 30% de la velocidad de la luz”, dijo maravillado Oliver Pfuhl, científico en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE). “La gran sensibilidad de GRAVITY nos ha permitido observar los procesos de acreción en tiempo real con un nivel de detalle sin precedentes”.

Estas mediciones sólo fueron posibles gracias a la colaboración internacional y a instrumentos dotados de la tecnología más avanzada [3]. El instrumento GRAVITY que hizo posible este trabajo combina la luz de cuatro telescopios del VLT de ESO para crear un súper telescopio virtual de 130 metros de diámetro, y ya ha sido usado para explorar la naturaleza de Sagitario A*.

La vista del amplio campo de luz visible muestra ricas nubes de estrellas en la constelación de Sagitario (el Arquero) en la dirección del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. La imagen completa está llena de un vasto número de estrellas, pero muchas más permanecen escondidas tras las nubes de polvo y sólo son reveladas en imágenes infrarrojas como la panorámica de VISTA. Esta visión fue creada a partir de fotografías en luz roja y azul, y forman parte del Digitized Sky Survey 2. El campo de visión es de aproximadamente 3,5 grados por 3,6 grados.

A principios de este año, GRAVITY y SINFONI, otro instrumento del VLT, le permitieron al mismo equipo medir con exactitud el sobrevuelo cercano de la estrella S2 a medida que pasaba por el intenso campo gravitatorio que hay cerca de Sagitario A*, y por primera vez esto reveló los efectos previstos por la relatividad general de Einstein en un ambiente así de extremo. Durante el sobrevuelo cercano de S2, se observó también una fuerte emisión infrarroja.

"Monitoreamos de cerca S2, y por supuesto siempre supervisamos Sagitario A*”, explicó Pfuhl. “Durante nuestras observaciones, tuvimos la suerte de apreciar tres destellos brillantes alrededor del agujero negro, ¡lo que fue una afortunada coincidencia!”.

Esta emisión, proveniente de electrones altamente energéticos muy cercanos al agujero negro, fue observada como tres prominentes destellos brillantes, y coincide exactamente con las predicciones teóricas sobre zonas calientes orbitando cerca de un agujero negro con una masa de cuatro millones de veces la del Sol [4]. Se cree que los destellos se originan a partir de interacciones magnéticas en el gas muy caliente que orbita muy cerca de Sagitario A*.

Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) en Garching, Alemania, quien dirigió el estudio, explicó: “Este siempre fue uno de nuestros proyectos soñados, pero nunca pensamos que pudiese hacerse realidad tan pronto”. Refiriéndose a la antigua suposición de que Sagitario A* es un agujero negro supermasivo, Genzel concluyó que “el resultado es una rotunda confirmación del paradigma sobre el agujero negro masivo”.

Notas

[1] Esta investigación fue llevada a cabo por científicos del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE), el Observatorio de Paris, la Universidad Grenoble Alpes, el CNRS, el Instituto Max Planck de Astronomía, la Universidad de Colonia, la institución portuguesa CENTRA – Centro de Astrofísica y Gravitación y ESO.

[2] Son velocidades relativistas aquellas que son tan grandes que los efectos de la Teoría de la Relatividad de Einstein se vuelven importantes. En el caso del disco de acreción que rodea a Sagitario A*, el gas se mueve a aproximadamente un 30% de la velocidad de la luz.

[3] GRAVITY fue desarrollado por una colaboración formada por el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (Alemania), LESIA del Observatorio de París– PSL/CNRS/Universidad de la Sorbona/Universidad París Diderot e IPAG de la Universidad Grenoble Alpes/CNRS (Francia), el Instituto Max Planck de Astronomía (Alemania), la Universidad de Colonia (Alemania), la institución portuguesa CENTRA – Centro de Astrofísica y Gravitación (Portugal) y ESO.

[4] La masa solar es una unidad utilizada en astronomía. Es igual a la masa de nuestra estrella más cercana, el Sol, y tiene un valor de 1.989 × 1030 kg. Esto significa que Sgr A* tiene una masa 1,3 billones de veces superior a la de la Tierra.

Un gigantesco frente frío en el cúmulo galáctico de Perseo ha sido el objetivo de un trío de telescopios de rayos X.

Este antiguo frente frío se puede apreciar a la izquierda de la imagen, mientras se aleja del frente más joven y mucho más cercano al centro. Los frentes fríos galácticos tienen poco que ver con los frentes fríos que experimentamos en la Tierra, ya que se deben a la colisión entre cúmulos de galaxias. La atracción gravitacional de un cúmulo mayor arrastra hacia sí a un cúmulo menor, lo que hace que el gas en su núcleo “chapotee” como si fuera el líquido de un vaso. Esto provoca un frente frío con un patrón en espiral que se va alejando del núcleo, y estos frentes fríos permiten estudiar el medio intercumular.

Los frentes fríos son las estructuras coherentes más antiguas en cúmulos de núcleos fríos, y este se aleja del centro cumular desde hace más de cinco mil millones de años, más tiempo de lo que lleva existiendo nuestro Sistema Solar. La larga estructura curvada se extiende alrededor de dos millones de años luz y viaja a unos cincuenta kilómetros por segundo.

La imagen combina datos del observatorio de rayos X Chandra de la NASA, el observatorio XMM-Newton de la ESA y el satélite ROSAT dirigido por el centro aeroespacial alemán. Chandra también capturó un primer plano de la sección superior izquierda del frente frío, lo que reveló detalles inesperados.

El cúmulo de Perseo contiene miles de galaxias y un agujero negro supermasivo en el centro. Este último es responsable de crear un entorno adverso de ondas sonoras y turbulencias que deberían erosionar cualquier frente frío con el tiempo, suavizando sus límites antes nítidos y provocando cambios graduales en la densidad y la temperatura. No obstante, la imagen de alta resolución de Chandra mostró un borde sorprendentemente definido en el frente frío, y un mapa de temperatura reveló que la parte superior izquierda del frente frío está dividida en dos.

La nitidez de este frente frío sugiere que se ha preservado gracias a los fuertes campos magnéticos que lo envuelven y que, esencialmente, funcionan como un escudo gigante contra el entorno hostil. Esta “envoltura” magnética evita que el frente frío se difumine y le ha permitido sobrevivir más de cinco mil millones de años, mientras se aleja del centro del cúmulo.

esa

Solo un 5% de nuestro universo está constituido por materia ‘ordinaria’, la que supuestamente conocemos, pero incluso este pequeño porcentaje es difícil de rastrear. Hace décadas que los astrónomos buscan dónde se esconden en el cosmos más de la mitad de los bariones, partículas como los neutrones y protones, y con la ayuda del observatorio espacial XMM-Newton de rayos X los han encontrado: en el ardiente gas intergaláctico.

Las misteriosas energía y materia oscuras constituyen, respectivamente, el 70% y el 25% del universo. El resto, la materia común que compone todo lo que vemos, desde las estrellas y galaxias hasta los planetas y nosotros mismos, representa tan solo un 5%.

El gas intergaláctico constituye la mayor parte de la materia ordinaria del cosmos que, a su vez, tan solo representa el 5% del total del universo. / ESA

Los astrónomos han calculado que ese es el porcentaje de materia ordinaria, formada básicamente por bariones (partículas con tres quarks como los neutrones y protones), a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, la luz más antigua en la historia del cosmos originada unos 380.000 años después del Big Bang.

Los bariones perdidos estaban en el gas intergaláctico caliente que constituye cerca del 40% de la materia ordinaria

Las observaciones de galaxias muy distantes permiten seguir la evolución de esta materia durante el primer par de miles de millones de años del universo. Sin embargo, justo después más de la mitad desaparece.

"Los bariones perdidos son uno de los mayores misterios de la astrofísica moderna", explica Fabrizio Nicastro, autor principal de un estudio publicado esta semana en Nature y en el que se ofrece una solución al problema. "Sabemos que esta materia debe estar ahí fuera, la vemos en el universo temprano, pero luego la perdemos de vista. ¿Adónde se fue?".

Se estima que las estrellas y el gas interestelar frío –su materia prima– que impregna las galaxias no alcanzan el 10% de la materia común. Sumando el gas caliente difuso de los halos que rodean las galaxias y el todavía más caliente que rellena los cúmulos galácticos –las estructuras cósmicas más grandes que se mantienen unidas por la gravedad–, el porcentaje no llega al 20%.

Esta pequeña proporción no debe sorprender. Las estrellas, galaxias y los cúmulos galácticos se forman en los nudos más densos de la red cósmica, ese entramado de filamentos de materia oscura y ordinaria que se extiende por todo el universo. Aunque estas zonas son densas, también son raras, por lo que no son los mejores sitios para encontrar la mayor parte de la materia cósmica.

En busca de los bariones perdidos

Los astrónomos pensaron entonces que los bariones ‘desaparecidos’ debían estar en los ubicuos filamentos de la red cósmica, donde, sin embargo, la materia es menos densa, y por tanto, más difícil de observar. Utilizando diferentes técnicas, pudieron localizar una buena porción de este material intergaláctico, principalmente sus componentes fríos y cálido (gas a cientos de miles de grados), elevando el porcentaje total a un respetable 60%, pero dejando el misterio general sin resolver. ¿Dónde está el otro 40%?

El descubrimiento se realizó utilizando observaciones de un cuásar distante, una galaxia con un agujero negro supermasivo que devora materia y brilla

Fabrizio y muchos otros astrónomos de todo el mundo han seguido las huellas de los bariones restantes durante casi dos décadas, desde que los observatorios de rayos X como XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica.

Observando en esa franja del espectro electromagnético, fue cuando pudieron detectar gas intergaláctico realmente caliente, con temperaturas de alrededor de un millón de grados o más, que estaba bloqueando los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.

Para este estudio, los autores utilizaron XMM-Newton para observar un cuásar, una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en su centro que devora activamente materia y brilla intensamente desde los rayos X hasta las ondas de radio. Analizaron este cuásar, cuya luz tarda más de 4.000 millones de años en llegar a nosotros, durante 18 días entre 2015 y 2017, en lo que se convirtió en la observación de rayos X más larga jamás realizada de esta fuente.

Los astrónomos han utilizado el observatorio espacial XMM-Newton (abajo a la derecha) para encontrar el componente caliente del medio intergaláctico (en verde) observando un lejano cuásar (arriba a la izquierda). / ESA et al.

"Después de examinar los datos, logramos encontrar la señal del oxígeno en el gas intergaláctico caliente entre nosotros y el cuásar, en dos puntos diferentes a lo largo de la línea de visión", dice Fabrizio."Esto está sucediendo porque hay enormes reservas de material, incluido oxígeno, depositado allí, y justo en la cantidad que esperábamos, por lo que finalmente podemos completar el hueco que faltaba en el conjunto de bariones del universo".

Comienzan nuevas búsquedas

Este extraordinario resultado supone el comienzo de una nueva búsqueda. Se necesitarán nuevas observaciones de diferentes fuentes astronómicas para confirmar si estos hallazgos son verdaderamente universales, y para investigar más a fondo el estado físico de este material tan largamente buscado.

Fabrizio y sus colegas se plantean ahora estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra en los próximos años. Sin embargo, para explorar completamente la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico cálido-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena), que la ESA tiene previsto lanzar en 2028.

Para los próximos pasos en este campo se necesitará la mayor sensibilidad del telescopio Athena

"El descubrimiento con XMM-Newton de los bariones desaparecidos es un primer paso emocionante para caracterizar completamente las circunstancias y estructuras en las que se encuentran estas partículas", dice la coautora Jelle Kaastra del Instituto Holandés de Investigación Espacial.

"Para los próximos pasos necesitaremos la sensibilidad mucho mayor de Athena –añade–, que tiene como uno de sus objetivos principales el estudio del medio intergaláctico cálido-caliente, con lo que mejoraremos nuestra comprensión de cómo crecen las estructuras en la historia del universo".

"Estamos orgullosos de que XMM-Newton haya descubierto la señal débil de este evasivo material, escondido en una niebla caliente de un millón de grados que se extiende por el espacio intergaláctico a lo largo de cientos de miles de años luz", destaca Norbert Schartel, uno de los científicos que trabaja con este telescopio en la ESA, quien concluye: "Ahora que sabemos que estos bariones ya no están perdidos, no podemos esperar para estudiarlos con gran detalle".

SINC

Desde que el universo se creó en una colosal "explosión" hace 13.800 millones de años, ha estado expandiéndose, arrastrando con él a las galaxias, de una manera muy parecida a lo que ocurre con las pasas de una masa para bizcocho cuando aumenta de volumen.

Ilustración de los últimos momentos previos a una colisión entre una estrella de neutrones y un agujero negro, con la primera siendo destruida por el tirón de marea del segundo (en el centro del disco). Una colisión de estas características culmina con la fusión entre ambos objetos. (Imagen: A. Tonita, L. Rezzolla, F. Pannarale)

La comunidad astronómica lleva tiempo observando ciertas estrellas y otras fuentes cósmicas de mucha luz para medir su distancia respecto a la Tierra y la velocidad con la que se alejan de nosotros, dos parámetros que son esenciales para estimar la constante de Hubble, una unidad de medida que describe el ritmo con el que se está expandiendo el universo.

Pero, hasta la fecha, las iniciativas más precisas han acabado con valores muy diferentes de la constante de Hubble, lo que impide saber con suficiente certeza la velocidad con la que está expandiéndose el universo. Esta información, según creen los astrónomos, podría aclarar cuestiones clave sobre los orígenes de este último, así como su destino, incluyendo si el cosmos se expandirá indefinidamente o acabará por contraerse hasta derrumbarse sobre sí mismo.

Ahora, el equipo de Salvatore Vitale, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), y Hsin-Yu Chen, de la Universidad Harvard, ambas entidades en Estados Unidos, ha propuesto una forma más precisa e independiente de medir la constante de Hubble, usando ondas gravitatorias emitidas por un sistema relativamente raro: una pareja de astros masivos compuesta por un agujero negro y una estrella de neutrones, un sistema binario enormemente energético en el que cada astro gira en espiral alrededor del otro. A medida que se reduce la distancia que separa a estos objetos, deben producir ondas gravitatorias capaces de hacer temblar el espacio, y un destello de luz cuando acaban colisionando.

Los autores del nuevo estudio argumentan que un destello de luz de este tipo puede dar a los científicos una indicación de la velocidad a la cual la pareja se está alejando de la Tierra. Las ondas gravitatorias emitidas, si fueran detectadas en la Tierra, deberían proporcionar una medida independiente y precisa de la distancia del sistema. Aunque las binarias de este tipo son muy escasas, los investigadores calculan que bastaría detectar unas pocas para obtener el valor más preciso hasta la fecha de la constante de Hubble y de la tasa de expansión del universo.

NCYT