XMM-Newton traza la materia oscura en débiles grupos de galaxias distantes

Observaciones de grupos de galaxias débiles y lejanos hechas con el observatorio XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) fueron utilizadas para investigar la evolución de la materia oscura. Los resultados del estudio se publican en la edición del 20 de enero de 2010 del The Astrophysical Journal.

La materia oscura es un misterioso e invisible componente del Universo que sólo se revela a través de su influencia gravitacional. La comprensión de su naturaleza es una de las preguntas abiertas clave en la cosmología moderna. En uno de los métodos utilizados para abordar esta cuestión, los astrónomos utilizan la relación entre masa y luminosidad que se ha encontrado para los cúmulos de galaxias, la cual vincula sus emisiones en rayos X, un indicador de la masa de la materia ordinaria (bariónica), y su masa total (la masa bariónica más la materia oscura) según lo determinado por el efecto de lente gravitacional.

Hasta la fecha la relación se podía establecerse únicamente para los cúmulos cercanos. Un nuevo trabajo de una colaboración internacional, incluyendo al Instituto Max Planck para Física Extraterrestre (MPE), al Laboratorio de Astrofísica de Marsella (LAM) y al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha hecho un gran progreso en la ampliación de la relación a estructuras más pequeñas y distante que lo que antes era posible.

Para establecer el vínculo entre la emisión de rayos X y la materia oscura subyacente, el equipo utilizó una de las mayores muestras en rayos X de grupos y cúmulos de galaxias seleccionados, producida por el observatorio de rayos X de la ESA, XMM-Newton.

Los grupos y cúmulos de galaxias se pueden encontrar de manera efectiva utilizando su emisión extendida en rayos X en escalas inferiores al minuto de arco. Como resultado de su gran área efectiva, XMM-Newton es el único telescopio de rayos X que puede detectar el nivel de emisión débil de los grupos y cúmulos de galaxias distantes.

“La capacidad de XMM-Newton para ofrecer catálogos de grandes grupos de galaxias en los campos profundos es asombrosa”, dijo Alexis Finoguenov, del MPE y de la Universidad de Maryland, coautor del artículo en The Astrophysical Journal (ApJ).

Dado que los rayos X son la mejor manera de encontrar y caracterizar los cúmulos, la mayoría de los estudios de seguimiento han sido hasta ahora limitados a grupos y cúmulos de galaxias relativamente cercanos.

“Teniendo en cuenta los catálogos sin precedentes, proporcionados por el XMM-Newton, hemos sido capaces de ampliar las mediciones de masa a estructuras mucho menores, que existían mucho antes en la historia del Universo”, dice Alexie Leauthaud de la División de Física del Berkeley Lab, primer autor del estudio publicado en ApJ.

La masa como lente

La lente gravitatoria se produce porque la masa curva el espacio a su alrededor, doblando los caminos por donde viajan los rayos de luz: cuanto más masa hay (y cuanto más cerca se está del centro de masa), más se curva el espacio, y más se desplaza y se distorsiona la imagen de un objeto distante. Así, medir la distorsión (o el “corte”) es la clave para medir la masa del objeto que actúa como lente.

En el caso de las lentes gravitacionales débiles (como las usadas en este estudio) el corte es demasiado sutil para ser visto directamente, pero débiles distorsiones adicionales en una colección de galaxias distantes pueden calcularse estadísticamente, y el corte promedio debido al efecto de lente de algún objeto masivo delante de ellas puede calcularse. Sin embargo, con el fin de calcular la masa de la lente de corte promedio, se necesita conocer su centro.

“El problema con los cúmulos de alto corrimiento al rojo (es decir, muy lejanos) es que es difícil determinar exactamente qué galaxia se encuentra en el centro del cúmulo”, dice Leauthaud. “Ahí es donde los rayos X ayudan. La luminosidad en rayos X de un cúmulo de galaxias se puede utilizar para encontrar su centro con mucha precisión”.

Conociendo los centros de masa a partir del análisis de la emisión de rayos X, Leauthaud y sus colegas pudieron usar las lentes débiles para estimar la masa total de los grupos y cúmulos distantes con mayor precisión que nunca.

El último paso fue determinar la luminosidad en rayos X de cada cúmulo de galaxias y graficarla contra la masa determinada por el efecto de lente débil, llegando a la relación masa-luminosidad para la nueva colección de los grupos y cúmulos extendiendo los estudios previos a menores masas y mayores corrimientos al rojo. Con incertidumbre calculable, la relación tiene la misma pendiente de recta para los cúmulos de galaxias cercanos que para los distantes, un simple factor de escala coherente relaciona la masa total (bariónica más oscura) de un grupo o cúmulo con su brillo en rayos X, siendo este último medido sólo a la masa bariónica.

“Al confirmar la relación masa-luminosidad y extenderla para más altos corrimientos al rojo, hemos dado un pequeño paso en la dirección correcta hacia el uso de lentes débiles como poderosas herramientas para medir la evolución de la estructura”, dice Jean-Paul Kneib, coautor del artículo en ApJ, del LAM y del Centro Nacional de Investigación (CNRS), de Francia.

En el principio

El origen de las galaxias puede ser trazado por las pequeñas diferencias en la densidad del muy cálido principio del Universo; los rastros de estas diferencias aún se pueden ver como diminutas diferencias de temperatura en el fondo cósmico de microondas (CMB).

“Las variaciones que observamos en el antiguo cielo de microondas representan las marcas que se desarrollaron a través del tiempo desde andamios de materia oscura cósmica hasta las galaxias que vemos hoy”, dice George Smoot, director del Centro Berkeley para Física Cosmológica (BCCP), profesor de Física en la Universidad de California en Berkeley, y miembro de la División de Física del Berkeley Lab. Smoot compartió el Premio Nobel de Física 2006 por medir las anisotropías en el CMB y es uno de los autores del artículo en ApJ. “Es muy emocionante que podamos medir con lentes gravitacionales cómo la materia oscura se ha colapsado y ha evolucionado desde el principio”.

Uno de los objetivos del estudio de la evolución de la estructura es entender a la materia oscura en sí, y cómo interactúa con la materia ordinaria que podemos ver. Otro objetivo es aprender más sobre la energía oscura, el misterioso fenómeno que está empujando a la materia, separándola y causando que el Universo se expanda a un ritmo acelerado. Muchas preguntas siguen aún sin respuesta: ¿La energía oscura es constante o es dinámica? ¿O ella es simplemente una ilusión causada por una limitación de la Teoría General de la Relatividad de Einstein?

Las herramientas proporcionadas por la extensión de la relación masa-luminosidad serán muy útiles para responder a estas preguntas acerca de las funciones opuestas de la gravedad y la energía oscura en darle forma al Universo, ahora y en el futuro.

Crédito de la imagen: ESA

Más información en: http://sci.esa.int/

Vía: El Mensajero de los Astros