Nuevo descubrimiento desafía la evolución de los cúmulos de galaxias

ALMA detecta la atmósfera caliente intracúmulo más antigua jamás observada, revelando una enorme reserva térmica y obligando a los astrónomos a reconsiderar cómo crecieron los cúmulos de galaxias en el universo primitivo

Remontándose a unos 12 000 millones de años, astrónomas y astrónomos, usando datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), han encontrado la evidencia más distante y directa de gas caliente en un cúmulo de galaxias en formación, SPT2349-56. El plasma caliente, observado cuando el universo tenía tan solo 1400 millones de años, es mucho más caliente y está más presurizado de lo que las teorías actuales predicen para un sistema tan temprano.

El equipo empleó una técnica de observación inusual: el efecto térmico Sunyaev-Zel’dovich (tSZ). En lugar de buscar luz del propio gas, el efecto tSZ revela una ligera sombra proyectada por electrones calientes en los cúmulos de galaxias contra el tenue resplandor del Big Bang en el fondo cósmico de microondas. “No esperábamos ver una atmósfera de cúmulo tan caliente en una época tan temprana de la historia cósmica”, afirmó el autor principal, Dazhi Zhou, candidato a doctorado en la Universidad de Columbia Británica. “De hecho, al principio era escéptico sobre la señal, ya que era demasiado intensa como para ser real. Tras meses de comprobaciones y pruebas, confirmamos que el gas intracúmulo de este joven cúmulo es más caliente y energético que el de muchos cúmulos actuales”.

Antes de este nuevo resultado, los astrónomos asumían que, en las primeras épocas cósmicas, los cúmulos de galaxias eran demasiado jóvenes como para haberse desarrollado por completo y haber calentado su gas intracúmulo. No se habían detectado directamente atmósferas calientes de cúmulos durante los primeros 3000 millones de años de la historia cósmica. “SPT2349-56 cambia todo lo que creíamos comprender”, afirmó el coautor Scott Chapman, profesor de la Universidad de Dalhousie y profesor afiliado de la Universidad de Columbia Británica, quien investigó durante su estancia en el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC). “Nuestras mediciones muestran una atmósfera de cúmulo sobrecalentada tan solo 1400 millones de años después del Big Bang, en un momento en el que pensábamos que el gas intracúmulo aún debería estar relativamente frío y asentarse lentamente. Esto sugiere que el nacimiento de cúmulos masivos podría ser mucho más violento y eficiente en el calentamiento del gas que suponían nuestros modelos”.

SPT2349-56 ya es reconocido como uno de los cúmulos infantiles más extremos. Su núcleo compacto, aproximadamente del tamaño del halo que rodea la Vía Láctea, alberga varios agujeros negros supermasivos en crecimiento activo y más de 30 galaxias con brotes de formación estelar que, en conjunto, forman estrellas miles de veces más rápido que en nuestra galaxia. Según este estudio, las potentes explosiones de estos agujeros negros, visibles como brillantes radiogalaxias, podrían ser una vía natural para inyectar la enorme cantidad de energía necesaria para sobrecalentar el gas intracúmulo en una etapa tan temprana.

Este descubrimiento sugiere que, durante los primeros mil millones de años del universo, procesos energéticos, como las explosiones de agujeros negros supermasivos y los intensos estallidos de formación estelar, podrían calentar drásticamente el gas circundante en los cúmulos en crecimiento. Esta etapa de sobrecalentamiento podría ser crucial para transformar estos jóvenes cúmulos de galaxias frías en los extensos cúmulos calientes que observamos hoy. También sugiere que los modelos actuales deben actualizar sus ideas sobre el crecimiento de las galaxias y sus entornos.

Esta es la detección más temprana de gas caliente en cúmulos jamás reportada, lo que amplía los límites de la antigüedad a la que los astrónomos pueden estudiar estos entornos. El descubrimiento de enormes depósitos de plasma caliente en una etapa tan temprana obliga a los científicos a replantear la secuencia y la velocidad de la evolución de los cúmulos de galaxias. También plantea nuevas preguntas sobre cómo los agujeros negros supermasivos y la formación de galaxias configuran el cosmos. “SPT2349-56 es un laboratorio muy extraño y emocionante. Observamos una intensa formación estelar, energéticos agujeros negros supermasivos y una atmósfera sobrecalentada, todo ello concentrado en un cúmulo joven y compacto”, añadió Zhou. “Aún existe una enorme brecha observacional entre esta violenta etapa inicial y los cúmulos más tranquilos que observamos más adelante. Mapear la evolución de sus atmósferas a lo largo del tiempo cósmico será una dirección muy emocionante para el trabajo futuro”.

Información adicional

Esta investigación se publica en Nature con el título "Detección Sunyaev-Zeldovich de gas caliente intracúmulo con un corrimiento al rojo de 4,3" de D. Zhou et al.

El comunicado de prensa original de este artículo fue publicado por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) de Estados Unidos, socio de ALMA en representación de Norteamérica.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE.UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembro, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán (NSTC), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

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