Cúmulo Bala

El universo no es homogéneo, que tiene pequeñas imperfecciones llamadas, inhomogeneidades de densidad. Son ellos los que hacen que las estrellas existen, que las galaxias existen, que existimos. Estas inhomogeneidades de densidad fueron creadas por el colapso gravitatorio y permitieron la materia de  existir dentro de las estructuras más grandes.
Uno de los principales problemas de la astrofísica moderna es que no sabemos la naturaleza de los componentes fundamentales del universo. La materia luminosa, la única que vemos directamente, parece ser menos de una décima parte de la masa del universo. Tenemos que ser creativos porque esta luz, desde ondas de radio hasta los rayos gamma, es nuestra única fuente de información. Cada vez que nuestros telescopios nos envían imágenes del universo buscamos de descubrir las entidades invisibles que mantienen su estructura. Ahora sabemos que nuestro universo no está compuesto solamente de átomos, el 96% de nuestro Universo ha estado desaparecido en nuestros telescopios. Dado que no se trata de desafiar las leyes de la gravedad, todos los científicos están de acuerdo en que la falta de masa en el universo observable para explicar su estabilidad. Una parte de esta masa perdida es la materia, ya que no vemos, se llama materia oscura. Aunque la materia luminosa es minoritaria, vemos muchos objetos, planetas, estrellas, galaxias, cúmulos y especialmente grandes áreas de gas. Y la luz de estos objetos, nos permite entender fenómenos invisibles.
Por ejemplo, cuando los objetos (planetas, estrellas, grupo, grupo de galaxias, cúmulos de grupo), giran en torno a un punto central, sus distancias desde el centro y sus velocidades nos permiten calcular el peso total de los componentes. Así, se ha observado que las velocidades de las estrellas que orbitan alrededor del centro galáctico no disminuye con su distancia desde el centro, pero se mantienen constantes. Esta observación está en contradicción con las leyes de la gravitación. La única explicación es que la actual masa de la galaxia sigue creciendo gradualmente a medida que uno se aleja del centro de la galaxia.

Y, por supuesto, es el mismo para las grandes estructuras como las galaxias y cúmulos de galaxias. Hoy nuestros sensores son capaces en cierta longitud de onda, mostrar a nosotros que las galaxias y cúmulos están rodeadas de un halo grueso donde se oculta la esencia de la materia, la que se llama, materia oscura.
La física de partículas describe las propiedades de la materia y nos enseña que la materia ordinaria, llamada bariónica se forma de los quarks (protones, neutrones) y leptones (electrones, neutrinos). Así que la materia bariónica, que vemos, está hecho de átomos, que incluyen protones y neutrones rodeados por una nube de electrones. Sin embargo, la materia también está disponible en otras formas, en forma ionizada llamado plasma, en forma de elementos atómicos (hidrógeno, helio, carbono, nitrógeno), en la forma de grupos atómicos (nanopartículas), en forma molecular (polvo), en forma de energía del vacío (partículas virtuales) y puede tomar la forma de materia exótica, como los WIMPs (partículas masivas hipotéticas). Sabemos que la mayor parte de la materia ordinaria en el universo está compuesto de hidrógeno y helio, pero no sabemos lo que se forma la materia oscura.

N.B.: En astrofísica, las WIMPs (Weakly interacting massive particles) son partículas masivas que interactúan débilmente. Estas partículas hipotéticas son una solución al problema de la materia oscura. Estas partículas interactúan muy débilmente con la materia ordinaria (nucleones, electrones). Esta interacción muy débil, asociado con una masa grande (del orden de la de un núcleo atómico), hacen un candidato creíble para la materia oscura.

N.B.: Un clúster atómica, es un conjunto de átomos suficientemente cerca para tener propiedades específicas, y un tamaño intermedio entre una molécula y un sólido. Las agrupaciones se aplican a todos los tipos de átomos que participan en las estructuras de varios miles de átomos como las nanopartículas.

Las agrupaciones de galaxias no contienen solo las galaxias, se bañan en gas frío de baja densidad (1000 partículas/m3) y en gas extremadamente caliente (de 10 a 100 millones de grados). A estas temperaturas, el gas es totalmente ionizado, que es un plasma visible en el campo de los rayos x. El gas se distribuye de una manera mucho más difusa, que llena el espacio entre las galaxias y se extiende mucho más allá. La masa de gas que pertenece a la galaxia es mucho más grande que la masa de la galaxia misma. Si se mide la dinámica gravitacional del universo en gran escala, la masa de la materia ordinaria en el universo observable es sólo el 4% de la masa total. 23% de la masa es la materia oscura y el 73% de la energía oscura. Esto se describe en un modelo predominantemente aceptado, el modelo SCDM (Standard Cold Dark Matter). Lo que vemos cuando se observa la luz de las estrellas, galaxias y cúmulos es la materia ordinaria.
¿ pero cómo podemos ver la materia oscura?
Las agrupaciones de galaxias son las mayores estructuras observables de materia. Se componen de cientos de galaxias unidas por su propia fuerza gravitatoria. La materia ordinaria de las galaxias es principalmente de gas porque la masa del gas es mucho mayor que la masa total de las estrellas. Toda la materia, la materia ordinaria y la materia oscura se somete a las fuerzas gravitacionales.
Es en el cúmulo Bala que los cosmólogos han sido capaces de "ver" la materia oscura. El cúmulo Bala o 1E 0657-56 (Bullet cluster), observable en la constelación Carina, es el resultado de la colisión de dos cúmulos de galaxias que ocurrieron allí 150 millones años. El estudio de esta colisión se inició en agosto de 2006 y mostró una de las pruebas más fuertes de la existencia de la materia oscura.
Cuando cúmulos o galaxias colisionan, la materia (estrellas, gas y polvo) es perturbada por las fuerzas gravitacionales. En realidad, objetos pesados ​​como estrellas no colisionan, se pasan uno junto al otro sin encontrarse, debido a que el espacio entre las estrellas es inmenso. Las estrellas por lo tanto, no se ven afectados por la colisión, se pueden acelerar ligeramente o frenar gravitacionalmente pero no destruidos. En cambio durante la colisión, los gases fríos y calientes, que constituyen el grueso de la masa bariónica de las galaxias, van a interactuar entre ellos, van a ser incluso fuertemente y rápidamente frenados. Ellos van a mezclarse más fácilmente debido a su libertad atómica y su muy débil enlace. Esto es lo que vemos en la imagen compuesta aquí-contra.