Cúmulo Bala

Dónde está la materia que no vemos?

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.

Imagen: El universo no es homogéneo, tiene pequeñas imperfecciones llamadas, inhomogeneidades de densidad. Son ellos los que hacen que las estrellas existen, que las galaxias existen, que existimos. Análisis del cielo por la sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), indican que el universo es viejo 13820000000 años (con una precisión del 1%), que se compone de 73% de energía oscura, 23% de materia oscura fría, y sólo un 4% de materia ordinaria (los átomos). El universo se está expandiendo a un ritmo del 71 km/s/Mpc (con una precisión de 5%). El universo observable pasó por episodios de rápido crecimiento llamado inflación y crecerá para siempre. Crédito : WMAP Science Team, NASA

Cúmulo Bala y materia oscura

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.

Esta colisión gigante entre los dos cúmulos a generado una energía considerable, tal vez el más poderoso del universo desde Big Bang. Es en el campo de rayos X que la observación de la colisión nos aporta nueva luz sobre la materia oscura, porque la materia de las estrellas, el gas y la materia oscura se comportan de manera diferente durante la colisión. Galaxias de dos cúmulos de galaxias se observan en luz visible, son las manchas blancas, los gases calientes de los dos grupos se observan en las radiografías, que son las nubes rojas, la materia oscura se muestra en azul.
¿Pero, qué vemos exactamente?
Vemos el resultado de una colisión entre dos cúmulos. En esta imagen se pueden ver cientos de galaxias agrupadas en cúmulos, pero sobre todo vemos un pequeño grupo de galaxias en el nube azul a la derecha y un gran cúmulo de galaxias en el nube azul a la izquierda. Los dos sobres gaseosos de los dos grupos son de color rojo, pequeña mancha roja sigue el pequeño nube azul y la gran mancha Roja sigue el gran nube azul.
En realidad, el pequeño grupo de galaxias a la derecha, viene a cruzar el gran cúmulo a la izquierda. La enorme colisión ha "desaliñado" los dos cúmulos de sus halos de gas causando una ola de choque visible en la punta de la pequeña mancha roja. Esta onda de choque ha comprimido fuertemente y por lo tanto calentado el gas del clúster en el punto para llegar a los 100 millones de grados. El cúmulo Bala es uno de los cúmulos más calientes conocidos. En algunos lugares, el telescopio Chandra X-Ray Observatory ha medido una velocidad de de desplazamiento del gas a 4 500 km/s. Los dos grupos están separados en 3,4 años luz y la masa total calculada en función de su velocidad y su distancia, representa más que la masa de la materia ordinaria visible (las galaxias se ven en la óptica y el gas se ve en los rayos X).
Estas son las zonas azules deliberadamente coloradas que muestran la distribución de la materia oscura invisible en el clúster. En este impacto frontal titánico, la materia oscura se comportó como la materia ordinaria, que no interactúan, ha travesado la otra materia oscura sin choque, mientras que el gas interestelar hubo arrebatado de los clusters. Esto provocó la onda de choque que se puede ver en la nube rojo en forma de bala de gas a la derecha. La clara separación de la materia oscura y de las nubes de gas se considera como una prueba directa de la existencia de la materia oscura.

Imagen: ¿Qué vemos en esta imagen compuesta en color falso?
Vemos toda la materia del Cúmulo Bala "Bullet cluster". Situado a 3,4 años luz de distancia el uno del otro, los dos cúmulos de galaxias individuales Bala se encuentran en la zona azul y las dos nubes de gas galácticos se ven en las radiografías, en rojo). Las áreas de color azul representan la mayor parte de la masa de grupos, es decir, la materia oscura, seis veces más masiva que la materia ordinaria. Cúmulo Bala es el más pequeño de los dos grupos lo que fluyen a través del otro de lado a lado. La enorme colisión ha "desaliñado" los dos cúmulos de sus halos de gas causando una ola de choque visible en la punta de la pequeña mancha roja. Esta onda de choque ha comprimido fuertemente y por lo tanto calentado el gas del clúster en el punto para llegar a los 100 millones de grados. Se destaca como una bota siguió de su rastro de gas. Crédito : X-ray : NASA / CXC/ CfA / M.Markevitch et al. ; Lensing Map : NASA / STScI; ESO WFI; Magellan / U.Arizona/ D.Clowe et al. Optical : NASA/STScI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.;