Cúmulo de galaxias sirve para verificar una teoría cosmológica


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Mediante la observación de un componente a alta velocidad de un cúmulo de galaxias masivas, científicos y colaboradores del Caltech / JPL han detectado por primera vez en un objeto individual el efecto cinético Sunyaev-Zel’dovich, un cambio en el fondo de microondas cósmico provocado por su interacción con objetos de gran masa en movimiento.

MACS J0717.5 3745 es un cúmulo de galaxias extraordinariamente dinámico con una masa total superior a  un millón de billones de veces la masa del Sol, o más de 1.000 veces la masa de nuestra propia galaxia. Parece contener tres subgrupos relativamente estacionarias (A, C, y D) y un subgrupo, B, que se está creando en el cúmulo más grande de galaxias y que se mueve a una velocidad de 3000 kilómetros por segundo.

El cúmulo de galaxias fue observado por un equipo dirigido por Sunil Golwala, profesor de física en Caltech y director del Observatorio de Caltech submilimétrica (CSO) en Hawaii. Se observó el subgrupo B durante lo que parece ser su primera caída en MACS J0717.5 3745. Su impulso lo llevará a través del centro del cúmulo de galaxias temporalmente, pero la fuerte atracción gravitatoria de MACS J0717.5 3745 tirará del subgrupo B de nuevo. Finalmente, el subgrupo B debera establecerse con sus contrapartes estáticas, los subgrupos A, C, y D.

Aunque el comportamiento del subgrupo B es dramático, encaja perfectamente en el modelo cosmológico estándar. Pero los detalles de las observaciones de MACS J0717.5 3745 en diferentes longitudes de onda sorprendieron, hasta que fueron analizados en términos de una teoría llamada el efecto cinético Sunyaev-Zel’dovich (SZ).

En 1972, dos físicos rusos, Rashid Sunyaev y Yakov Zel’dovich, predijeron que deberíamos ser capaces de ver las distorsiones en el fondo cósmico de microondas (CMB), el resplandor del Big Bang, cada vez que éste interactúa con una colección de electrones libres. Estos electrones libres están presentes en el medio entrecúmulos, que se compone principalmente de gas. Gas en densos racimos de galaxias que se calienta a una temperatura tan extrema, alrededor de 100 millones de grados, que ya no hay coherencia en los átomos. Según Sunyaev y Zel’dovich, los fotones del CMB deben dispersarse por los electrones de alta energía en el espacio entrecúmulos y adquieren un impulso de energía medible a medida que pasan a través del cúmulo de galaxias.

Este fenómeno, conocido como efecto térmico SZ, ha sido bien respaldado por datos de observación desde la década de 1980, así que no fue una sorpresa cuando MACS J0717.5 3745 mostró signos del efecto. Pero observaciones recientes de este cúmulo de galaxias arrojaron algunos datos curiosos. Un equipo dirigido por Golwala y Jamie Bock, profesor de física del Caltech, observó MACS J0717.5 3745 con el instrumento Bolocam de la OSC, para realizar la medición de la radiación de microondas de la agrupación en dos frecuencias: 140 GHz y 268 GHz. A través de una simple extrapolación, la medición en 140 GHz se puede utilizar para predecir la medición en 268 GHz, asumiendo el efecto térmico SZ.

Sin embargo, las observaciones del subgrupo B a 268 GHz no coincidían con esas expectativas. El trío de doctorados de Caltech y JPL que ya hubo propuesto observaciones de MACS J0717.5 +3745 (Jack Sayers, Phil Korngut, y Tony Mroczkowski) se quedo perplejo por estas imágenes durante algún tiempo. Tratando de resolver la discrepancia, Korngut siguió trabajando en la rápida velocidad del subgrupo B en relación con el resto. Movido por el interés de Korngut, Mroczkowski decidió calcular si la cinética del efecto SZ podría explicar la discrepancia entre los 140 GHz y 268 GHz datos. Para sorpresa de todos, es posible. Con el fin de demostrarlo de forma concluyente, las señales procedentes de galaxias polvorientas trás de MACS J0717.5 3745 también tuvieron que ser contabilizadas, lo que fue hecho a partir de datos a frecuencias más altas desde el Observatorio Espacial Herschel, analizados por Mike Zemcov, un erudito postdoctoral senior de Caltech. El modelo de combinación de los dos efectos SZ y las galaxias polvorientas fue un buen aporte a las observaciones.

El efecto cinético SZ cinético, como el efecto térmico SZ, es causada por la interacción de electrones extremadamente calientes y energéticos en el gas del medio de intracúmulos con los fotones del CMB. Sin embargo, en el efecto cinético, los fotones no se ven afectados por el calor de los electrones, lo que les da un movimiento descoordinado al azar, pero no por su movimiento coherente a medida que su subgrupo anfitrión se mueve a través del espacio. El tamaño del efecto es proporcional a la velocidad, en este caso de los electrones, la velocidad de subgrupo B.

Antes de este estudio de MACS J0717.5 3745, la mejor indicación del efecto cinético SZ provenía de un estudio estadístico de un gran número de galaxias y cúmulos de galaxias que habían sido detectadas por el Telescopio Cosmológico de Atacama y el Sloan Digital Sky Survey. Esta es la primera vez, dice Golwala, “que se puede apuntar a un solo objeto y decir: Creemos que lo vemos, y es ahí mismo'”.

“Al utilizar el efecto cinética SZ para medir las velocidades de los cúmulos enteros relativos a la expansión del universo, podemos ser capaces de aprender más acerca de las causas de expansión acelerada del universo”, explica Golwala. El siguiente paso en el proceso es el desarrollo de nueva instrumentación, más sensible, incluido la nueva Cámara de Inductancia Submilimétrica de Multi Longitud de Onda encargada recientemente por el CSO.

El documento que detalla estas observaciones se titula “A Measurement of the Kinetic Sunyaev-Zel’dovich Signal Towards MACS J0717.5+3745,” y aparece en la revista Astrophysical Journal. Sayers, Mroczkowski (ahora en el Laboratorio de Investigación Naval de los EE.UU.), Zemcov y Korngut son los autores principales. Otros autores de Caltech y JPL incluyen a Bock, Nicole Czakon (ahora en la Academia Sinica en Taiwán), Golwala, Leonidas Moustakas, y Seth Siegel. La financiación para la investigación fue proporcionada por la Fundación Gordon y Betty Moore, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, la Fundación Nacional para la Ciencia, la Fundación Norris, el Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán, y el Instituto Sínica y Academia de Astronomía y Astrofísica.

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