Cúmulo Bala y Materia Oscura

Descripción de la imagen: ¿Qué vemos en esta imagen compuesta en falso color?
Vemos toda la materia del Cúmulo Bala. Los dos cúmulos de galaxias de Bala están en el área azul, y las dos nubes de gas galáctico se ven en rayos X, en rojo. Las áreas de color azul representan la mayor parte de la masa de los cúmulos, es decir, la materia oscura, seis veces más masiva que la materia ordinaria. El Cúmulo Bala es el más pequeño de los dos cúmulos, el que pasa a través del otro (área azul de la derecha). La gigantesca colisión ha "despeinado" los dos cúmulos de su halo de gas, provocando una onda de choque visible en la punta de la pequeña mancha roja. Esta onda de choque ha comprimido fuertemente y, por lo tanto, calentado los gases del cúmulo hasta el punto de alcanzar los 100 millones de grados. Se puede distinguir algo como una bala seguida de su estela de gas. Crédito: NASA CXC CfA.

El Cúmulo Bala

El Cúmulo Bala, también conocido como 1E 0657-56, es un cúmulo de galaxias famoso por su espectacular colisión entre dos cúmulos más pequeños. Situado a unos 3.400 millones de años luz, este cúmulo ha sido estudiado en detalle por el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio de Rayos X Chandra. Su nombre, "Bala," se refiere a la forma distintiva del cúmulo resultante de la colisión.

El Cúmulo Bala está compuesto por miles de galaxias, gas caliente y materia oscura. Las observaciones en rayos X de Chandra han revelado que el gas caliente, que representa la mayor parte de la materia bariónica (visible), está separado de la materia oscura. Esta separación es una prueba directa de la existencia de la materia oscura, ya que no interactúa con la materia ordinaria de la misma manera que el gas caliente.

Las observaciones del Cúmulo Bala han permitido a los astrónomos utilizar el efecto de lente gravitacional para mapear la distribución de la materia oscura. Al observar las distorsiones de las imágenes de las galaxias de fondo, los científicos han podido confirmar la presencia y distribución de la materia oscura en el cúmulo. Esta técnica ha sido crucial para comprender la dinámica de la colisión y la estructura interna del cúmulo.

Materia Oscura en el Cúmulo Bala

Los cúmulos de galaxias no están compuestos solo de galaxias; están bañados en gas frío de baja densidad (1000 partículas/m3) y gas caliente (10 a 100 millones de grados). A estas temperaturas, el gas está completamente ionizado; es un plasma visible en el dominio de los rayos X. El gas está distribuido de manera mucho más difusa; llena el espacio entre las galaxias y se extiende mucho más allá. La masa del gas que pertenece a la galaxia es mucho mayor que la masa de la galaxia misma. Si medimos la dinámica gravitacional del Universo a gran escala, la masa de la materia ordinaria en el Universo observable representa solo el 4% de la masa total. El 23% de la masa sería materia oscura y el 73% energía oscura. Esto se describe en el modelo SCDM (Materia Oscura Fría Estándar). Lo que vemos cuando observamos la luz de las estrellas, galaxias y cúmulos es materia ordinaria.

¿Cómo Podemos Ver la Materia Oscura?

Toda la materia, materia ordinaria y materia oscura, está sujeta a las fuerzas del campo gravitacional. El Cúmulo Bala o 1E 0657-56, observable en la constelación de Carina, es el resultado de la colisión de dos cúmulos de galaxias que ocurrió hace 150 millones de años. El estudio de esta colisión comenzó en agosto de 2006 y proporcionó una de las pruebas más sólidas de la existencia de la materia oscura.

Cuando los cúmulos colisionan, la materia ordinaria (estrellas, gas y polvo) se perturba por las fuerzas gravitacionales. En realidad, los objetos pesados como las estrellas no colisionan; pasan unos al lado de otros sin encontrarse, porque el espacio entre las estrellas es inmenso. Las estrellas, por lo tanto, no se ven afectadas por la colisión; pueden ser ligeramente aceleradas o desaceleradas gravitacionalmente pero no destruidas. Por otro lado, durante la colisión, los gases fríos y calientes que constituyen la mayor parte de la masa bariónica de las galaxias interactuarán entre sí; incluso serán fuertemente y rápidamente desacelerados. Se mezclarán más fácilmente debido a su libertad atómica y su muy débil enlace. Esto es lo que vemos en la imagen compuesta.

Esta gigantesca colisión entre los dos cúmulos liberó una energía considerable. Es en el dominio de los rayos X que la observación de la colisión nos aporta una nueva visión sobre la materia oscura, ya que las estrellas, los gases y la materia oscura se comportan de manera diferente durante la colisión.

Las galaxias de los dos cúmulos de galaxias se observan en luz visible; estos son los múltiples puntos blancos. Los gases calientes de los dos cúmulos se observan en rayos X; estos son los nubes rojas. La materia oscura está representada por la luz azul difusa.

En la imagen, hay cientos de galaxias agrupadas en cúmulos, pero principalmente vemos un pequeño cúmulo de galaxias en la mancha azul de la derecha y un gran cúmulo de galaxias en la mancha azul de la izquierda. Las dos envolturas gaseosas de los dos cúmulos están en rojo; la pequeña mancha roja sigue a la pequeña mancha azul, y la gran mancha roja sigue a la gran mancha azul. En realidad, el pequeño cúmulo de galaxias a la derecha acaba de pasar a través del gran cúmulo a la izquierda.

La gigantesca colisión ha "despeinado" los dos cúmulos de su halo de gas, provocando una onda de choque visible en la punta de la pequeña mancha roja. Esta onda de choque ha comprimido fuertemente y, por lo tanto, calentado los gases del cúmulo hasta el punto de alcanzar los 100 millones de grados. En algunos lugares, el Observatorio de Rayos X Chandra midió una velocidad de movimiento de los gases de 4500 km/s.

Los dos cúmulos ahora están separados por 3.4 años luz, y la masa total calculada en función de su velocidad y distancia representa mucho más que la masa de la materia ordinaria visible (galaxias vistas en el dominio óptico y gas visto en el dominio de los rayos X). Estas son las áreas intencionalmente coloreadas en azul que muestran la distribución de la materia oscura invisible en el cúmulo. En esta colisión frontal titánica, la materia oscura se comportó como la materia ordinaria; no interactuó; pasó a través de la otra materia oscura sin impacto, mientras que el gas interestelar fue arrancado de los cúmulos. Esto causó la onda de choque que vemos en la nube roja en forma de bala de gas a la derecha. La clara separación de la materia oscura y las nubes de gas se considera una prueba directa de la existencia de la materia oscura.