Gigantescas ondas de choque que se observan en el Universo

Onda de choque de Kappa Casiopea

Esta onda de choque (el arco rojo en la imagen contras) está en nuestra galaxia, la Vía Láctea. La onda de choque causada por el desplazamiento de una estrella puede comprimir el gas disperso en el espacio. Observando en el infrarrojo, el entorno de la estrella Kappa Casiopea que gira a una velocidad impresionante, vemos esta presión ejercida delante de la estrella. El encuentro a muy alta velocidad del gas impulsado por el movimiento de la estrella y del gas escaso de la galaxia crea este arco fotografiado por el Telescopio Espacial Spitzer. Kappa Casiopea (κ Cas, κ Casiopea) o HD 2905 para los astrónomos, es una supergigante azul caliente masiva y que se mueve alrededor de 4 millones km/s en comparación con sus vecinas, ó 1110 km/s. Este arco de choque alrededor de una estrella desvela su alta velocidad relativa. El paso de la estrella colora la materia que rodea con un brillo rojo. Estas estructuras son a veces presentes delante de las estrellas más rápidas y más masivas de la Vía Láctea.

Estos choques se forman donde el campo magnético y el viento de partículas colisionan con el gas y el polvo fugitivo que llena el espacio interestelar. La velocidad de movimiento de nuestro Sol es de 217 m/s, pero su onda de choque es esencialmente invisible para todas las longitudes de onda de luz. Por contra, el rápido movimiento de Kappa Casiopea crea choques que pueden ser vistos por los detectores infrarrojos de Spitzer. Esta onda de choque que precede a la estrella tiene un radio de 4 años luz (1 al = 9 460 895 288 762 850 metros).

Imagen: Imagen de la onda de choque Kappa Casiopea. El arco rojo de esta imagen infrarroja tomada por el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA es una onda de choque gigante creada por la diferencia en la velocidad de movimiento de la estrella Kappa Casiopea (la estrella en el centro del arco) con relación a sus vecinas.

Onda de choque de la Tarántula

Acerca de 2.400 estrellas masivas están ocultas en el centro de la Nebulosa de la Tarántula (30 Doradus). Estas estrellas producen una radiación tan intensa que los fuertes vientos soplan fuera del campo, la materia. El gas de la nebulosa está calentado a millones de grados por la onda de choque de la radiación estelar. Estas ondas de choque se muestran en azul en la imagen de rayos X tomada por el telescopio Chandra X-ray Observatory. Estas ondas de choque son generadas por los vientos y la radiación ultravioleta de las estrellas jóvenes de la agrupación. Estas explosiones esculpen en el nube de polvo, enormes burbujas azules de gas sobrecalentado, en la materia fría de la nebulosa. Este materia fría de color anaranjado, se ve aquí en la emisión infrarroja del Telescopio Espacial Spitzer.

RMC 136, es el supercúmulo de estrellas, situado cerca del centro de la Nebulosa de la Tarántula. Es conocida como 30 Doradus. La Nebulosa de la Tarántula se encuentra fuera de nuestra galaxia, en la Gran Nube de Magallanes, a 170  000 años luz del sistema solar. En el corazón de esta región de formación de estrellas, 30 Doradus se encuentra un grupo enorme que contiene las estrellas las más grandes, las más masivas y las más calientes conocidas hasta la fecha.

Imagen: Imagen de la Nebulosa Tarantula vista por el telescopio de rayos X Chandra y de rayos infrarroja por el telescopio espacial Spitzer. Crédito de la Imagen: NASA

Onda de choque de la Rueda de Carro

La galaxia de la Rueda de Carro (también conocida como ESO 350-40) es una galaxia lenticular o anillo, situada a unos 500 millones de años luz de distancia en la constelación del Escultor en el hemisferio sur. La forma en rueda de carro de esta galaxia es el resultado de una colisión galáctica violenta que ocurrió allí unos 200 millones de años. Una pequeña galaxia se ha pasado a través del corazón del disco de una gran galaxia, y producido esta enorme onda de choque, que ha propagado el gas y el polvo alrededor de la galaxia, como las ondas de agua que se producen cuando se lanza una piedra en un lago.
La galaxia Rueda de Carro está rodeado por un anillo azul, con 150 000 años luz de diámetro, formado por estrellas jóvenes y brillantes. El movimiento a alta velocidad de la onda de choque, ha comprimido el polvo y el gas, lo que ha favorecido el nacimiento de estrellas que iluminan ahora, la periferia de la ola.
En la imagen, las regiones de formación de estrellas se muestran en azul. El anillo exterior de la galaxia, es 1,5 veces el tamaño de nuestra Vía Láctea. Se ve en esta imagen, que la galaxia encuentra de nuevo la forma como una galaxia espiral normal, con brazos que se reforman a partir del núcleo central.

Esta galaxia fue la misma galaxia de la Vía Láctea, antes de que se somete a la colisión frontal. Este objeto celeste es uno de los ejemplos más notables de la clase de las galaxias de anillo. La formación de estrellas en los anillos, como la galaxia de la Rueda de Carro, favorece la formación de las estrellas de gran tamaño y muy luminosas. Cuando estas estrellas masivas explotan como supernova, permanece en su corazón, una estrella de neutrones o un agujero negro. Algunas de estas estrellas de neutrones y agujeros negros atraen la materia de las estrellas cercanas y se convierten en poderosas fuentes de rayos X. La Rueda de Carro contiene un número inusualmente alto de estos agujeros negros fuentes de rayos X, porque muchas estrellas masivas se están formadas en el anillo de la galaxia. Esta imagen fue producida con datos del Hubble, y tratada de nuevo usando el software de código abierto FITS Liberator 3, que se desarrolló en el ST-ECF. El uso juicioso de esta herramienta, a partir de las observaciones originales de Hubble, ha obtenido más detalles sobre la galaxia Cartwheel.

N.B.: Imágenes de Hubble de muy alta definición (ESA).

Imagen: Una pequeña galaxia pasa a través del disco de una galaxia grande y produjo este enorme onda de choque, que se formó la rueda de gas y polvo. La imagen tratada de nuevo de este evento cósmico muestra la galaxia de la Rueda de Carro o galaxia dCartwheel también conocida como ESO 350-40. Imagen tomada por el telescopio Hubble NASA / ESA Space.

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.;