El blog de Antares

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.

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.

Se piensa que la mayor parte de la materia del Universo es materia no bariónica, posiblemente compuesta por partículas que aún no conocemos. Según la teoría actual, si en la formación y evolución de galaxias solo influyen las interacciones gravitatorias, las galaxias deberían estar rodeadas por extensos esferoides de partículas de materia oscura siguiendo una distribución concreta y cuya densidad aumenta conforme nos acercamos a su centro.

Sin embargo, “se está alcanzando el consenso de que los procesos debidos a la componente bariónica de las galaxias, pueden alterar la distribución de materia oscura, haciéndola menos densa en el centro”, comentan Arianna Di Cintio y Chris B. Brook, astrofísicos del IAC y de la ULL.

Los cálculos analíticos y simulaciones muestran que, en principio, la energía que proviene de las explosiones de supernovas tipo II, asociadas a la muerte de estrellas masivas, pueden presionar el gas repetidamente hacia las partes externas. Esto provocaría un cambio en el potencial gravitatorio en el centro de las galaxias, reajustando la distribución de materia oscura, que se volvería menos densa en las regiones centrales.

“Es de crucial importancia cuantificar cómo los procesos relacionados con la muerte de las estrellas pueden afectar a las propiedades de la distribución de la materia oscura”, informan Giuseppina Battaglia y José Ramón Bermejo-Climent, astrofísica del IAC y de la ULL e investigador del National Institute of Astrophysics (INAF) y antiguo alumno de la Universidad de La Laguna, respectivamente. Y añaden: “Esto ayuda a la comunidad a poner a prueba las teorías sobre la materia oscura”.

En este estudio, los autores han utilizado datos precisos sobre la cantidad de estrellas formadas en las primeras fases de la vida cuando el Universo apenas tenía una cuarta parte de su edad actual, de 16 galaxias enanas del Grupo Local al que pertenece la Vía Láctea.

“Nuestro Grupo Local –explican los investigadores del IAC y de la ULL Carme Gallart y Matteo Monelli- nos ofrece la posibilidad de calcular cuántas estrellas han nacido y muerto en la historia de las galaxias que lo componen desde los primeros tiempos, porque podemos estudiar estos sistemas con exquisito detalle gracias a su proximidad”.

Calculando la cantidad de energía asociada a las estrellas masivas que se espera que hayan explotado en forma de supernova tipo II en los primeros miles de millones de años de vida de estas galaxias, los autores han podido concluir que, salvo que más del 90% de esta energía se pierda en forma de radiación, estos procesos pueden inducir cambios en la densidad de los halos de materia oscura de las galaxias analizadas.

Los investigadores se atreven a augurar también cuáles de estos sistemas son los más prometedores para estudiar más a fondo. “Predecimos que, entre las galaxias enanas que rodean la Vía Láctea, las desviaciones más grandes de la estructura inicial de los halos de materia oscura deberían tener lugar en las galaxias enanas brillantes de Sculptor y Fornax”, afirman Bermejo-Climent y Battaglia. “Mientras que las galaxias enanas menos luminosas de Draco y Ursa Minor deberían haber sido más capaces de preservar las densidades centrales iniciales en sus halos de materia oscura”. El tiempo confirmará si las predicciones se hacen realidad.

Los estudios de este artículo se han llevado a cabo en colaboración con investigadores del MPIA, Heidelberg (Alemania), el Centro de Astrofísica Teórica y Cosmología de la Universidad de Zurich (Suiza), el Instituto de Astronomía de la Universidad de Edimburgo (Reino Unido) y el Departamento de Física de la Universidad de Surrey (Reino Unido).

• Artículo: J.R. Bermejo-Climent et al. On the early evolution of Local Group dwarf galaxy types: star formation and supernova feedback. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 479, Issue 2, 11 September 2018, Pages 1514–1527, https://doi.org/10.1093/mnras/sty1651

A primera vista, esta imagen parece inundada por el efecto de nieve que produce la electricidad estática, pero no, no es un problema de visualización.

No se trata de ruido estático ni de pixelado: cada punto de luz en esta imagen es una galaxia distante detectada por el observatorio espacial Herschel de la ESA. Cada una de estas minúsculas marcas representa el ‘calor’ que emanan los granos de polvo que se hallan entre las estrellas de cada galaxia. Esta radiación ha tardado miles de millones de años en llegar a nosotros y, en la mayoría de casos, se emitió mucho antes de que se formaran la Tierra y el Sistema Solar.

La imagen muestra un mapa del polo norte galáctico capturado por el receptor de imágenes espectrales y fotométricas SPIRE de Herschel. Al igual que sucede con la Tierra, los astrónomos utilizan un sistema de coordenadas para definir las distintas ubicaciones a escala cósmica. En el caso de la Vía Láctea, este sistema de coordenadas es esférico, con el Sol en el centro, y ofrece valores de longitud y latitud en el firmamento con respecto a nuestra galaxia.

El polo norte galáctico se encuentra lejos del disco de la Vía Láctea y ofrece una vista clara y sin obstáculos del Universo distante, más allá de nuestra galaxia anfitriona. Se sitúa en algún lugar en la constelación boreal de Coma Berenices (Cabellera de Berenice), una región que también alberga un rico cúmulo galáctico conocido como el Cúmulo de Coma. Da la casualidad de que este cúmulo está incluido en este mapa, lo que suma más de mil puntos de luz más al recuento de galaxias individuales.

Herschel, que permaneció activo entre 2009 y 2013, empleó sus instrumentos para estudiar el firmamento en el infrarrojo lejano. SPIRE resultó especialmente útil para cartografiar grandes áreas, y observó el polo norte galáctico con tres filtros distintos al mismo tiempo, por lo que sus observaciones se pueden utilizar para producir imágenes multicolor.

La imagen de hoy constituye un mapa de un solo filtro, se obtuvo a una longitud de onda de 250 μm como parte del programa H-ATLAS (Herschel Astrophysical Terahertz Large Area Survey) y abarca unos 180,1 grados cuadrados del firmamento. Durante el proyecto se utilizaron SPIRE y otro instrumento de Herschel, PACS (cámara y espectrómetro con conjuntos de detectores fotoconductores) para explorar unos 660 grados cuadrados del cielo en cinco bandas de longitud de onda y producir los mapas del infrarrojo lejano más completos jamás elaborados más allá de nuestra galaxia.

La estructura de Universo se asemeja a la de una esponja a la que, comúnmente, se le llama red cósmica. La materia se dispone a lo largo de filamentos que se entrecruzan, dejando zonas donde la materia se acumula y otras en las que casi no hay. En los puntos de mayor densidad, las galaxias se agrupan, formando cúmulos de galaxias. Estos sistemas, que pueden contener miles de galaxias, son las estructuras con mayor masa del Universo.

El estudio de la red cósmica es uno de los retos de la Astrofísica actual. Se desconocen las propiedades de las componentes principales de la materia a estas escalas. Por ello, usamos términos como “materia oscura” y “energía oscura”. La primera supone hasta un 20% de la masa total del Universo y es la responsable de mantener a las estructuras unidas gravitatoriamente. Es decir, actúa como pegamento. La segunda, por el contrario, conforma el 75% del Universo y está relacionada con el modo en que el Universo se expande. La materia ordinaria, es decir, las galaxias, el gas, el polvo, las estrellas, etc. apenas representa un 5% de la masa del Universo, pero tienen el importante papel de trazar las fuerzas y propiedades de la materia y la energía oscura.

Un equipo internacional, liderado por Mauro Sereno, de la Universidad de Bolonia, en el que también han participado el IAC y el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), ha localizado uno de los cúmulos de galaxias más densos del Universo. El estudio analiza, por primera vez, las zonas más externas del cúmulo de galaxias PSZ2 G099.86+58.45 hasta una distancia de 30 megaparsecs, una región en la que hasta ahora no se conocía cómo se distribuía la masa, ni si a estas distancias la materia estaba ligada por la gravedad del cúmulo.

El ambiente en torno a los cúmulos de galaxias incluye otras estructuras como “filamentos”, otros cúmulos vecinos y la materia que cae hacia el cúmulo central más masivo. “Este estudio revela que la densidad de materia alrededor del cúmulo estudiado es hasta seis veces mayor que lo que se espera”, señala Mauro Sereno, investigador principal de este trabajo. Asimismo, se ha descubierto que los mecanismos de acrecimiento de masa pueden llegar a producir densidades muy altas, incluso a grandes distancias de los cúmulos galácticos.

El trabajo se ha basado en el efecto de “lente gravitatoria”, que consiste en que la masa del cúmulo y la materia circundante desvían la luz procedente de galaxias más lejanas, modificando la forma observada de estas galaxias de fondo. Cuanto más denso y concentrado es el cuerpo que actúa de lente, mayor es la deformación de las galaxias del fondo. El estudio estadístico de las deformaciones de más de 150.000 galaxias del fondo, también llamado efecto de lente débil o “weak lensing”, realizado con imágenes profundas obtenidas con el telescopio CFHT (Canada-France-Hawaii Telescope), ha permitido conocer la distribución, masa y densidad de materia entorno al cúmulo PSZ2 G099.86+58.45. Los resultados revelan que este cúmulo supone un caso excepcionalmente raro, que no ajusta bien a los modelos de formación de estructuras. Esto implica que debe de haber mecanismos de acrecimiento de materia mucho más eficaces a los que hoy conocemos.

Si bien los modelos ajustan adecuadamente la densidad superficial de masa en regiones internas de los cúmulos de galaxias, hasta los 5-7 megaparsecs, más allá, en las regiones externas, los modelos deben implementar una componente adicional para ajustar los datos observacionales. “Esta componente de masa es totalmente desconocida, ni las simulaciones numéricas de cúmulos de galaxias y estructuras a gran escala predicen su existencia”, explica Rafael Barrena, investigador del IAC y uno de los autores del artículo publicado en Nature Astronomy. “Con lo cual –añade- estamos ante la evidencia observacional de grandes cantidades de materia donde no lo esperábamos”.

El grupo del IAC que participa en esta publicación ha observado espectroscópicamente una muestra de las galaxias que forman parte del cúmulo PSZ2 G099.86+58.45 usando el espectrógrafo multiobjeto OSIRIS, instalado en el Gran Telescopio Canarias (GTC), en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Midiendo las velocidades a las que se mueven estas galaxias es posible determinar la masa total del cúmulo. En la práctica, este problema sería como determinar la masa del Sol a partir de la velocidad con la que se mueven los planetas. Utilizando esta técnica han logrado medir la masa total del cúmulo. Los resultados confirman que PSZ2 G099.86+58.45 es un cúmulo de galaxias muy masivo y denso, y que los efectos de su altísima gravedad se extienden a distancias extremadamente grandes, mucho más de lo que los modelos predicen.

“Estamos ante un estudio que abre la puerta a una región del Universo que hasta ahora no ha sido suficientemente explorada, la frontera límite de los cúmulos de galaxias”, señala la investigadora del IAC y coautora del artículo Alina Streblyanska. Una zona que puede aportar mucha información a la hora de estudiar estos sistemas, cómo se forman y cómo evolucionan las estructuras más masivas del Universo. “Con este estudio se da otro pequeño paso en el conocimiento de la materia oscura y cómo ésta se distribuye en la red cósmica del Universo”, concluye Antonio Ferragamo.

• Artículo: M. Sereno et al. Gravitational lensing detection of an extremely dense environment around a galaxy cluster. Nature Astronomy (2018). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-018-0508-y

Tras realizar un análisis espectroscópico con el instrumento MUSE, instalado en el VLT (Very Large Telescope), que se encuentra en el Observatorio Europeo Austral (Chile), un equipo liderado por la astrofísica del IAC Ana Monreal Ibero ha probado la existencia de bandas interestelares difusas (DIB) en las Galaxias Antena, a 70 millones de años luz de la Tierra. De esta manera, ha demostrado que existe material probablemente orgánico en otras galaxias más allá de nuestro vecindario galáctico.

El espectro electromagnético de un objeto celeste (galaxia, estrella, etc.) resulta de descomponer su luz emitida en sus colores constituyentes. Las características de dicho espectro -por ejemplo, colores dominantes o ausentes- informan sobre las propiedades del objeto, como su velocidad y composición química. “Además, y por el mismo precio, -comenta la investigadora del IAC Ana Monreal- este análisis nos da información sobre el material que la luz encuentra en su camino hacia nosotros y, en particular, sobre el medio interestelar”. Las DIB son unas bandas oscuras que aparecen en los espectros de objetos astronómicos asociadas a este medio y cuyo origen, a día de hoy, es un misterio. No se pueden explicar con la presencia de moléculas simples y se sospecha que están causadas por material probablemente orgánico.

La mayoría de los estudios relacionados con ellas se reducen a objetos que se encuentran en la Vía Láctea, ya que son rasgos espectrales particularmente débiles. Fuera de nuestra galaxia existen algunas detecciones de DIB, en su mayoría en las Nubes de Magallanes, pero sólo en muy contadas ocasiones se han podido ver más allá de los confines del Grupo Local. No obstante, cuando miramos más allá de la Vía Láctea podemos ver cómo se comportan en condiciones del medio interestelar exóticas, como podría ser un brote de formación estelar.

Estas observaciones más allá de las galaxias que nos rodean pueden, por un lado, dar pistas adicionales sobre la posible naturaleza de las moléculas que causan las DIB. Y, por otro, proporcionar herramientas a los astrónomos para caracterizar el medio interestelar al que pertenecen.

“En nuestro trabajo, hemos explorado el potencial que puede tener en este campo la utilización de espectrógrafos de campo integral, como HARMONI, en cuya construcción participa el IAC”, explica Monreal. Y añade: “Para ello, hemos utilizado lo que constituye, a día de hoy, la crème de la crème en este tipo de instrumentación, MUSE a bordo del VLT, para obtener datos del sistema de galaxias espirales en fusión más cercano: las Galaxias Antena”.

El instrumento MUSE obtiene de un único disparo una cantidad ingente de espectros de un área celeste relativamente grande. “A base de sumar la señal de espectros vecinos y modelar y separar con cuidado la emisión debida a las estrellas y al gas ionizado en el sistema, hemos conseguido rescatar la señal de dos de las DIB más conocidas y, de hecho, las dos primeras en identificarse como tales, en más de 200 y 100 líneas de visión independientes”, explica Monreal.

El estudio también compara las detecciones obtenidas por el grupo con otras propiedades y componentes del medio interestelar en este sistema. En particular, la atenuación (directamente relacionada con la cantidad de polvo) y la distribución de hidrógeno atómico, gas molecular y unas bandas de emisión en el infrarrojo medio que también parecen asociadas a compuestos orgánicos.

• Artículo: Monreal-Ibero, A. et al. Diffuse interstellar bands λ5780 and λ5797 in the Antennae Galaxy as seen by MUSE. Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/201732178