Densidad de galaxias en el campo Cosmic Evolution Survey (COSMOS), con colores que representan el desplazamiento al rojo de las galaxias, que van desde el desplazamiento al rojo de 0.2 (azul) a 1 (rojo). Los contornos rosados de rayos X muestran la emisión extendida de rayos X observada por XMM-Newton.
La materia oscura (en realidad fría, oscura, no bariónica) solo puede detectarse por su influencia gravitacional. En los cúmulos y grupos de galaxias, esa influencia se muestra como lentes gravitacionales débiles, que es difícil de precisar. Una forma de estimar con mucha más precisión el grado de lente gravitacional, y por lo tanto la distribución de la materia oscura, es usar la emisión de rayos X del plasma caliente dentro del grupo para localizar el centro de masa.
Y eso es exactamente lo que un equipo de astrónomos ha hecho recientemente ... y, por primera vez, nos han dado una idea de cómo ha evolucionado la materia oscura en los últimos miles de millones de años.
COSMOS es un estudio astronómico diseñado para investigar la formación y evolución de galaxias en función del tiempo cósmico (desplazamiento al rojo) y el entorno de estructura a gran escala. La encuesta cubre un campo ecuatorial de 2 grados cuadrados con imágenes de la mayoría de los principales telescopios espaciales (incluidos Hubble y XMM-Newton) y varios telescopios terrestres.
Comprender la naturaleza de la materia oscura es una de las preguntas clave abiertas en la cosmología moderna. En uno de los enfoques utilizados para abordar esta cuestión, los astrónomos usan la relación entre masa y luminosidad que se ha encontrado para los cúmulos de galaxias que vinculan sus emisiones de rayos X, una indicación de la masa de la materia ordinaria ("bariónica") sola ( por supuesto, la materia bariónica incluye electrones, que son leptones), y sus masas totales (bariónica más materia oscura) según lo determinado por la lente gravitacional.
Hasta la fecha, la relación solo se ha establecido para los grupos cercanos. El nuevo trabajo de una colaboración internacional, que incluye el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE), el Laboratorio de Astrofísica de Marsella (LAM) y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha hecho un gran progreso en extender la relación a lugares más distantes y estructuras más pequeñas que antes posibles.
Para establecer el vínculo entre la emisión de rayos X y la materia oscura subyacente, el equipo utilizó una de las muestras más grandes de grupos de galaxias y grupos de galaxias seleccionados por rayos X, producidos por el observatorio de rayos X de la ESA, XMM-Newton.
Se pueden encontrar grupos y cúmulos de galaxias de manera efectiva utilizando su emisión de rayos X extendida en escalas de subminutos de arco. Como resultado de su gran área efectiva, XMM-Newton es el único telescopio de rayos X que puede detectar el débil nivel de emisión de grupos y cúmulos de galaxias distantes.
"La capacidad de XMM-Newton para proporcionar grandes catálogos de grupos de galaxias en campos profundos es sorprendente", dijo Alexis Finoguenov, del MPE y de la Universidad de Maryland, coautor del reciente artículo de Astrophysical Journal (ApJ) que informó sobre el equipo. resultados.
Dado que los rayos X son la mejor manera de encontrar y caracterizar los cúmulos, la mayoría de los estudios de seguimiento se han limitado hasta ahora a grupos y cúmulos de galaxias relativamente cercanos.
"Dados los catálogos sin precedentes proporcionados por XMM-Newton, hemos podido extender las mediciones de masa a estructuras mucho más pequeñas, que existieron mucho antes en la historia del Universo", dice Alexie Leauthaud de la División de Física de Berkeley Lab, el primer autor de El estudio ApJ.
La lente gravitacional se produce porque la masa curva el espacio a su alrededor, doblando el camino de la luz: cuanto más masa (y cuanto más cerca esté del centro de masa), más espacio se dobla y más se desplaza la imagen de un objeto distante y distorsionado. Por lo tanto, medir la distorsión, o "corte", es clave para medir la masa del objeto de lente.
En el caso de lentes gravitacionales débiles (como se usa en este estudio), la cizalladura es demasiado sutil para ser vista directamente, pero se pueden calcular estadísticamente distorsiones adicionales débiles en una colección de galaxias distantes, y la cizalladura promedio debido a la lente de algunas masivas objeto en frente de ellos se puede calcular. Sin embargo, para calcular la masa de la lente a partir del corte promedio, es necesario conocer su centro.
"El problema con los cúmulos de alto desplazamiento al rojo es que es difícil determinar exactamente qué galaxia se encuentra en el centro del cúmulo", dice Leauthaud. "Ahí es donde ayudan los rayos X. La luminosidad de rayos X de un cúmulo de galaxias se puede utilizar para encontrar su centro con mucha precisión ".
Conociendo los centros de masa a partir del análisis de la emisión de rayos X, Leauthaud y sus colegas podrían usar lentes débiles para estimar la masa total de los grupos y grupos distantes con mayor precisión que nunca.
El paso final fue determinar la luminosidad de rayos X de cada cúmulo de galaxias y graficarlo contra la masa determinada a partir de la lente débil, con la relación de masa-luminosidad resultante para la nueva colección de grupos y cúmulos que amplía estudios previos a masas inferiores y superiores. corrimientos al rojo Dentro de una incertidumbre calculable, la relación sigue la misma pendiente recta desde los cúmulos de galaxias cercanos a los distantes; un factor de escala simple y consistente relaciona la masa total (bariónica más oscura) de un grupo o grupo con su brillo de rayos X, este último mide solo la masa bariónica.
"Al confirmar la relación masa-luminosidad y extenderla a altos desplazamientos al rojo, hemos dado un pequeño paso en la dirección correcta hacia el uso de lentes débiles como una herramienta poderosa para medir la evolución de la estructura", dice Jean-Paul Kneib, coautor del artículo ApJ de LAM y el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS).
El origen de las galaxias se remonta a ligeras diferencias en la densidad del Universo caliente y temprano; Las huellas de estas diferencias todavía pueden verse como pequeñas diferencias de temperatura en el fondo cósmico de microondas (CMB): puntos calientes y fríos.
"Las variaciones que observamos en el antiguo cielo de microondas representan las huellas que se desarrollaron con el tiempo en el andamiaje cósmico de materia oscura para las galaxias que vemos hoy", dice George Smoot, director del Centro Berkeley de Física Cosmológica (BCCP), profesor de física en la Universidad de California en Berkeley, y miembro de la División de Física de Berkeley Lab. Smoot compartió el Premio Nobel de Física 2006 por medir anisotropías en el CMB y es uno de los autores del artículo ApJ. "Es muy emocionante que podamos medir con lentes gravitacionales cómo la materia oscura se ha derrumbado y evolucionado desde el principio".
Un objetivo al estudiar la evolución de la estructura es comprender la materia oscura en sí misma y cómo interactúa con la materia ordinaria que podemos ver. Otro objetivo es aprender más sobre la energía oscura, el misterioso fenómeno que está separando la materia y haciendo que el Universo se expanda a un ritmo acelerado. Muchas preguntas permanecen sin respuesta: ¿La energía oscura es constante o es dinámica? ¿O es simplemente una ilusión causada por una limitación en la Teoría general de la relatividad de Einstein?
Las herramientas proporcionadas por la relación de masa-luminosidad extendida harán mucho para responder a estas preguntas sobre los roles opuestos de la gravedad y la energía oscura en la configuración del Universo, ahora y en el futuro.
Fuentes: ESA, y un artículo publicado en la edición del 20 de enero de 2010 de Astrophysical Journal (arXiv: 0910.5219 es la preimpresión)
