Los astrónomos que estudian el universo primitivo han identificado un cúmulo de galaxias que parece mucho más caliente (y mucho más energético) de lo que las teorías actuales dicen que debería ser. Para detectarlo, los investigadores tuvieron que retroceder unos 12 mil millones de años, observando el cúmulo tal como existía apenas 1,4 mil millones de años después del Big Bang.
El hallazgo, publicado en Nature, retrasa la línea de tiempo en la que los cúmulos de galaxias desarrollan sus características atmósferas calientes. Los modelos estándar sugieren que este calentamiento extremo se produce sólo después de que los cúmulos maduran lentamente y colapsan a lo largo de miles de millones de años. En cambio, la nueva observación sugiere que algunos grupos pueden formarse mucho más rápido de lo esperado.
“No esperábamos ver una atmósfera de cúmulo tan caliente en una etapa tan temprana de la historia cósmica”, dijo el autor principal, Dazhi Zhou, en un comunicado de prensa. “De hecho, al principio era escéptico acerca de la señal porque era demasiado fuerte para ser real. Pero después de meses de verificación, hemos confirmado que este gas es al menos cinco veces más caliente de lo previsto, e incluso más caliente y más energético que lo que encontramos en muchos cúmulos actuales”.
Un cúmulo de galaxias joven con energía descomunal
El objeto central del estudio es un cúmulo distante conocido como SPT2349-56. Debido a que se formó tan temprano en la historia cósmica, los astrónomos lo consideran un cúmulo de galaxias “bebé”, aunque sus propiedades son todo menos pequeñas.
Su denso núcleo se extiende por aproximadamente 500.000 años luz, similar en tamaño al halo que rodea la Vía Láctea. Dentro de esa región compacta se encuentran más de 30 galaxias que forman estrellas a un ritmo combinado más de 5.000 veces más rápido que el de nuestra galaxia actual. Toda esta actividad está concentrada en un espacio que, según los estándares cósmicos, es notablemente pequeño.
Sin embargo, lo que más destacó no fueron las galaxias en sí, sino el gas que llenaba el espacio entre ellas. Conocido como medio intracluster, este gas generalmente se calienta gradualmente a medida que la gravedad atrae la materia hacia adentro. En SPT2349-56, ese calentamiento parece haber ocurrido mucho antes y con mucha más intensidad.
“Esto nos dice que algo en el universo temprano, probablemente tres agujeros negros supermasivos descubiertos recientemente en el cúmulo, ya estaban bombeando enormes cantidades de energía a los alrededores y dando forma al cúmulo joven, mucho antes y con más fuerza de lo que pensábamos”, dijo el coautor Dr. Scott Chapman en el comunicado de prensa.
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Cómo midió ALMA el calor del cúmulo
Para sondear las condiciones dentro del cúmulo, el equipo utilizó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una red de radiotelescopios.
En lugar de medir directamente el gas, los investigadores se basaron en una señal sutil conocida como efecto Sunyaev-Zeldovich. Cuando el gas caliente dentro de un cúmulo de galaxias interactúa con el tenue resplandor del Big Bang, distorsiona ligeramente la luz de fondo. Midiendo la distorsión, los astrónomos pueden estimar cuánta energía térmica contiene el gas.
“Comprender los cúmulos de galaxias es la clave para comprender las galaxias más grandes del universo”, dijo Chapman. “Estas galaxias masivas residen principalmente en cúmulos, y su evolución está fuertemente determinada por el entorno muy fuerte de los cúmulos a medida que se forman, incluido el medio intracúmulo”.
Los primeros agujeros negros y el rápido calentamiento cósmico
En los modelos actuales, el medio intragrupo se calienta principalmente a través de la gravedad a medida que los grupos se ensamblan y estabilizan lentamente. Los nuevos resultados sugieren un origen más caótico, en el que la intensa formación estelar y los agujeros negros supermasivos activos inyectan rápidamente energía en el núcleo de un cúmulo.
Esto plantea nuevas preguntas sobre la rapidez con la que se pueden formar los cúmulos de galaxias y cómo los primeros agujeros negros comienzan a influir en su entorno. El equipo ahora quiere entender cómo estos procesos funcionan juntos en un sistema tan joven.
“Queremos descubrir cómo interactúan la intensa formación estelar, los agujeros negros activos y esta atmósfera sobrecalentada, y qué nos dice esto sobre cómo se formaron los cúmulos de galaxias actuales”, dijo Zhou. “¿Cómo puede suceder todo esto al mismo tiempo en un sistema tan joven y compacto?”
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