XMM-Newton encuentra material intergaláctico desaparecido

Mientras que la materia oscura constituye el 25 % y la energía oscura aproximadamente el 70 % del cosmos, la materia común, que conforma todo lo que vemos (de las estrellas y las galaxias a los planetas y las personas), apenas supone el 5 %. 

E incluso este 5 % resulta bastante difícil de localizar. 

La cantidad total de materia común, que los astrónomos denominan bariones, puede calcularse a partir de observaciones de la radiación cósmica de fondo, la luz más antigua en la historia del Universo, que se remonta a tan solo 380.000 años tras el Big Bang. 

Las observaciones de galaxias muy lejanas permiten a los astrónomos seguir la evolución de esta materia a lo largo de los primeros miles de millones de años del Universo. Después, en cambio, parece que más de la mitad haya desaparecido. 

“Los bariones perdidos son uno de los mayores misterios de la astrofísica moderna”, explica Fabrizio Nicastro, autor principal de un artículo que propone una solución a este misterio, publicado hoy en Nature. 

“Sabemos que esta materia ha de estar ahí, la vemos en el Universo temprano, pero no conseguimos localizarla. ¿A dónde ha ido?” 

Si sumamos al censo de estrellas de las galaxias a lo largo del Universo el gas interestelar que abunda en las galaxias (la materia prima a partir de la cual se forman las estrellas), apenas obtenemos un 10 % de toda la materia común. Incluso añadiendo el gas caliente y difuso en los halos que rodean las galaxias y el gas aún más caliente de los cúmulos estelares, que son las mayores estructuras cósmicas unidas por efecto de la gravedad, seguimos sin alcanzar el 20 %. 

Esto no es sorprendente; las estrellas, las galaxias y los cúmulos de galaxias se forman en los nodos más densos de la red cósmica, la distribución mediante filamentos de la materia oscura y la materia ordinaria a través del Universo. Estos lugares son densos, pero también poco comunes, por lo que no resultan idóneos para buscar en ellos la mayor parte de la materia cósmica. 

Los astrónomos sospechaban que los bariones desaparecidos debían estar ocultos en los omnipresentes filamentos de la red cósmica, donde la materia es menos densa y, por lo tanto, más difícil de observar. Gracias al uso de distintas técnicas, con los años lograron localizar buena parte de este material intergaláctico (principalmente sus componentes calientes y fríos), por lo que la suma ahora asciende a un respetable 60 %, aunque el misterio sigue sin acabar de resolverse.

Fabrizio y muchos otros astrónomos llevan casi dos décadas a la caza de los bariones restantes, desde que observatorios de rayos X como XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica. 

Al observar esta sección del espectro electromagnético, pueden detectar el gas intergaláctico caliente, con temperaturas de un millón de grados o más, que bloquea los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.  

En su proyecto, Fabrizio y sus colaboradores emplearon XMM-Newton para observar un cuásar: una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en el centro, que devora materia activamente y muestra un fuerte brillo desde los rayos X hasta las ondas de radio. La observación de este cuásar, cuya luz tarda más de cuatro mil millones de años en llegar a nosotros, se prolongó un total de 18 días, repartidos entre 2015 y 2017, durante la mayor observación de rayos X de una fuente de este tipo jamás llevada a cabo. 

“Tras cribar los datos, logramos hallar el marcador de oxígeno en el gas intergaláctico caliente entre nosotros y el cuásar, en dos puntos distintos a lo largo de la línea de visión”, explica Fabrizio. 

“Esto sucede porque ahí hay grandes depósitos de material, incluido oxígeno, en la cantidad esperada, por lo que finalmente podemos cubrir el vacío existente en el balance de bariones del Universo”. 

Este extraordinario resultado marca el comienzo de una nueva aventura. Hacen falta observaciones de distintas fuentes en el firmamento para confirmar si estos hallazgos son realmente universales y para seguir investigando el estado físico de esta materia tan buscada.

Fabrizio y sus colegas tienen previsto estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra durante los próximos años. No obstante, para explorar a fondo la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico templado-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena) de la ESA, cuyo lanzamiento está previsto para 2028. 

“El descubrimiento con XMM-Newton de los bariones perdidos constituye un fascinante primer paso hacia la caracterización plena de las circunstancias y las estructuras en que se hallan estos bariones”, apunta Jelle Kaastra, del Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos (SRON), y coautor del estudio. 

“Para continuar avanzando, necesitaremos la sensibilidad mucho mayor de Athena, uno de cuyos principales objetivos es estudiar el medio intergaláctico templado-caliente, para mejorar nuestra comprensión del crecimiento de las estructuras en la historia del universo”. 

“Nos llena de orgullo ver que XMM-Newton ha sido capaz de descubrir las débiles señales de este material tan esquivo, oculto en una neblina a un millón de grados que se extiende por el espacio intergaláctico a lo largo de cientos de miles de años luz”, añade Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton en la ESA. 

“Ahora que sabemos que esos bariones ya no están perdidos, estamos deseando poder estudiarlos con más detalle”.

Notas para los editores
El artículo “Observations of the missing baryons in the warm–hot intergalactic medium”, de F. Nicastro et al., está publicado en Nature. DOI: 10.1038/s41586-018-0204-1

Para más información: 

Fabrizio Nicastro
 Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
 Osservatorio Astronomico di Roma, Italy
 Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
 Cambridge, MA, USA
 Correo electrónico: fabrizio.nicastro@oa-roma.inaf.it 

Jelle S. Kaastra
SRON – Netherlands Institute for Space Research
Utrecht, The Netherlands
Correo electrónico: J.S.Kaastra@sron.nl

Norbert Schartel
XMM-Newton Project Scientist
European Space Agency
Correo electrónico: norbert.schartel@esa.int

Markus Bauer
ESA Science Communication Officer
Teléfono: +31 71 565 6799
Móvil: +31 61 594 3 954
Correo electrónico: markus.bauer@esa.int