El XMM-Newton profundiza en los secretos de los cúmulos fósiles de galaxias

El XMM-Newton observa un cúmulo fósil de galaxias
18 mayo 2006

La alta sensibilidad del telescopio espacial de rayos X de la ESA, XMM-Newton, y la aguda visión del observatorio espacial de rayos-X de la NASA, Chandra, han permitido a los astrónomos estudiar el comportamiento de inmensos cúmulos de galaxias fósiles, intentando averiguar de dónde sacan el tiempo necesario para formarse.

Muchas galaxias forman grupos de galaxias, en los que experimentan encuentros cercanos con sus vecinas e interacciones gravitatorias con materia oscura, masa que impregna todo el espacio intergaláctico pero que no es visible directamente porque no emite radiación.

Estas interacciones hacen que las galaxias grandes describan gradualmente una espiral hacia el centro del grupo, donde pueden juntarse formando una sola galaxia gigante central, que progresivamente se traga a todas sus vecinas.

Si este proceso se completa, y no caen en el grupo nuevas galaxias, entonces el resultado es un objeto que se denomina 'grupo fósil', en el que casi todas las estrellas están aglomeradas en una única galaxia gigante, que se sitúa en el centro de un halo de materia oscura del tamaño del grupo. La presencia de este halo puede ser inferida por la presencia de grandes cantidades de gas caliente, que llena los pozos de potencial gravitatorio de muchos grupos y emite rayos-X.

Un grupo internacional de astrónomos estudió en detalle las características físicas del grupo fósil más masivo y caliente conocido, con el principal objetivo de resolver el rompecabezas y comprender la formación de estos fósiles masivos. De hecho, de acuerdo con los modelos teóricos sencillos, ¡no podrían haberse formado en el tiempo del que han dispuesto!

El grupo fósil investigado, llamado 'RX J1416.4+2315', está dominado por una única galaxia elíptica situada a 1 500 millones de años luz de nosotros, y es 500 000 millones de veces más brillante que el Sol.

Las observaciones en rayos-X de los telescopios XMM-Newton y Chandra, combinadas con análisis en el rango visible e infrarrojo, revelaron que el grupo se sitúa en un halo de gas caliente que se extiende más de tres millones de años luz y que está a una temperatura de 50 millones de grados, debido principalmente a la compresión por el colapso gravitatorio.

Una temperatura tan elevada, aproximadamente el doble de los valores estimados anteriormente, es una característica habitual de los cúmulos de estrellas. Otra característica interesante del cúmulo es su gran masa, que supera los 300 trillones de masas solares. Sólo un dos por ciento de ella se debe a estrellas de las galaxias, y un 15 por ciento a gas caliente que emite rayos-X. La mayor contribución a la masa del sistema es la materia oscura invisible, que mantiene unidos los demás componentes.

XMM-Newton

De acuerdo con los cálculos, un cúmulo fósil tan masivo como el RX J1416.4+2315 no hubiera podido formarse en el tiempo disponible desde el origen del universo. El proceso clave en la formación de estos grupos fósiles es la llamada 'fricción dinámica', por la cual una galaxia grande cede su energía orbital a la materia oscura que la rodea. Este proceso es menos efectivo cuando las galaxias se están moviendo rápidamente, como es el caso en los cúmulos masivos de galaxias.

Esto, en principio, supone un límite superior para el tamaño y la masa de los grupos fósiles. Los límites exactos son, sin embargo, desconocidos aún, ya que la geometría y la distribución de masas de los grupos puede ser diferente de la supuesta en los modelos teóricos sencillos.

'Los modelos sencillos que describen la fricción dinámica suponen que las galaxias que se unen se mueven en órbitas circulares alrededor del centro de masas del cúmulo', dice Habib Khosroshahi de la Universidad de Birmingham (UK), autor principal de los resultados. 'Si, por el contrario, asumimos que las galaxias caen hacia el centro del cúmulo en desarrollo de forma asimétrica, como por ejemplo a lo largo de un filamento, la fricción dinámica y, por tanto, el proceso de formación del cúmulo puede ocurrir en una escala de tiempo menor', continúa. 'Esta hipótesis está apoyada por la emisión altamente prolongada de rayos-X que observamos en RX J1416.4+2315, lo que sostendría la idea del colapso predominantemente a lo largo de un filamento'.

El brillo óptico de la galaxia central dominante en este fósil es similar al de las galaxias más brillantes en grandes cúmulos (llamados 'BGC'). De acuerdo con los astrónomos, esto implica que galaxias como estas podrían haberse originado en grupos fósiles alrededor de los cuales se forman posteriormente los cúmulos. Esto ofrece un mecanismo alternativo de formación de los BCG, frente a las teorías existentes en las que los BCG se forman dentro de los cúmulos durante o después del colapso del cúmulo.

'El estudio de grupos fósiles masivos tales como RX J1416.4+2315 es importante para poner a prueba nuestra comprensión de la formación de la estructura del universo', añade Khosroshahi. 'Hay simulaciones cosmológicas en marcha que intentan reproducir las propiedades que observamos, para comprender cómo se desarrollan estos sistemas extremos', concluye.

Notas a los editores:

Las observaciones del cúmulo fósil de galaxias RX J1416.4+2315 con el telescopio XMM-Newton se realizaron en julio de 2003. Las observaciones del mismo objeto con el telescopio Chandra son de septiembre de 2001.

Los resultados aparecerán en la publicación: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, astro-ph/0603606. El artículo, titulado A fossil galaxy cluster; an X-ray and optical study of RX J1416.4+2315, ha sido escrito por Habib G. Khosroshahi, Trevor J. Ponman and Laurence R. Jones (Escuela de física y astronomía, Universidad de Birmingham, UK), Ben J. Maughan (Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, Cambridge, MA, USA).

Para más información:

Habib Khosroshahi, Escuela de física y astronomía, Universidad de Birmingham, UK
Email: habib @ star.sr.bham.ac.uk

Norbert Schartel, Responsable Científico del proyecto XMM-Newton de la ESA
Email: norbert.schartel @ sciops.esa.int

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