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La materia oscura es un misterioso e invisible constituyente del Universo, la cual sólo se revela a través de su influencia gravitacional. Entender su naturaleza es una de las cuestiones clave en la cosmología moderna. En una de las formas de abordar esta cuestión, los astrónomos usan la relación entre la masa y la luminosidad que se encontró para los cúmulos de galaxias, la cual relaciona sus emisiones en rayos X, una indicación sólo de la masa de la materia ordinaria (bariónica), y sus masas totales (bariónica más materia oscura) determinada por lentes gravitacionales.
Hasta ahora, la relación sólo había podido ser establecida para cúmulos cercanos. Un nuevo trabajo de una colaboración internacional, incluyendo el Instituto Max Planck para Física Extraterrestre (MPE), el Laboratorio de Astrofísica de Marsella (LAM), y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha conseguido un gran avance al extender la relación a estructuras más distantes y pequeñas que lo previamente posible.
Para establecer la relación entre la emisión en rayos X y la materia oscura subyacente, el equipo usó una de las más grandes muestras de grupos y cúmulos de galaxias seleccionadas en rayos X, producida por el observatorio de rayos X XMM-Newton, de la Agencia Espacial Europea, ESA.
Los grupos y cúmulos de galaxias pueden ser encontrados efectivamente usando su emisión en rayos X extendida en escalas por debajo del minuto 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 habilidad de XMM-Newton para proveer grandes catálogos de grupos de galaxias en campos profundos es asombrosa", dijo Alexis Finoguenov del MPE y de la Universidad de Maryland, coautor del artículo del The Astrophysical Journal.
Aunque los rayos X son la mejor manera de encontrar y caracterizar cúmulos, la mayoría de los estudios de seguimiento han sido hasta ahora limitados a grupos y cúmulos de galaxias relativamente cercanos.
"Dados los catálogos sin precedentes provistos por XMM-Newton, hemos sido capaces de extender las mediciones de masa a estructuras mucho menores, las cuales existieron en la historia más temprana del Universo", dice Alexie Leauthaud de la División de Física del Berkeley Lab, primer autor del estudio.
La masa como una lente
Las lentes gravitacionales ocurren debido a que la masa curva el espacio alrededor de ella, combando el camino a lo largo del cual viajan los rayos de luz: cuanto más masa (y cuanto más cerca ésta de su centro de masa), el espacio más se comba, y la imagen de un objeto distante está más desplazada y distorsionada. Así, la medición de la distorsión es la clave para medir la masa del objeto aumentado por el efecto de la lente.
En el caso de una lente gravitacional débil (como la usada en este estudio) la distorsión es demasiado delicada para ser vista directamente, pero pueden ser calculadas estadísticamente las débiles distorsiones adicionales en una acumulación de galaxias distantes, y así puede calcularse la distorsión promedio debida a la lente de algún objeto masivo frente a ellas. No obstante, para calcular la masa de la lente, a partir de la distorsión promedio, se necesita conocer su centro.
"El problema con los cúmulos de alto corrimiento hacia el rojo (o sea, muy distantes) es que es difícil detectar exactamente qué galaxia se sitúa en el centro del cúmulo", dice Leauthaud. "Ahí es donde nos ayudan los rayos X. La luminosidad en rayos X de un cúmulo de galaxias puede ser usada para encontrar su centro con gran precisión".
Conociendo los centros de masa a partir del análisis de la emisión en rayos X, Leauthaud y sus colegas pudieron usar luego las lentes débiles para estimar la masa total de los grupos y cúmulos distantes con mucha mayor aproximación que lo que antes se podía.
El paso final fue determinar la luminosidad ne rayos X de cada cúmulo de galaxias y graficarla en relación a la masa determinada de la lente débil, resultando la relación masa-luminosidad para la nueva acumulación de grupos y cúmulos extendiendo los estudios previos a masas más bajas y corrimientos hacia el rojo más altos. Dentro de una incertidumbre calculable, la relación tiene la misma pendiente para las galaxias cercanas que para las distantes; un simple y consistente factor de ajuste relaciona la masa total (bariónica más oscura) de un grupo o cúmulo con su brillo en rayos X, esto último midiendo sólo la masa bariónica.
"Confirmando la relación masa-luminosidad y extendiéndola a altos corrimientos al rojo, hemos dado un pequeño paso en la dirección correcta hacia el uso de una lente débil como una poderosa herramienta para medir la evolución de la estructura", dice Jean-Paul Kneib, de LAM y del Centro Nacional para la Investigación Científica de Francia (CNRS), coautor del artículo.
En el comienzo
El origen de las galaxias puede ser trazado por las pequeñas diferencias en la densidad del caliente y temprano Universo; rastros de estas diferencias pueden aún ser vistos como minúsculas diferencias de temperatura en el fondo cósmico en microondas (CMB).
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"Las variaciones que observamos en el antiguo cielo de microondas representa la huella que se desarrolló en el tiempo dentro del andamiaje de materia oscura cósmica para las galaxias que vemos ahora”, dice George Smoot, director del Centro Berkeley para la Física Cosmológica (BCCO), profesor de física en la Universidad de California, en Berkeley, y miembro de la División de Física del Berkeley Lab. Smoot compartió el Premio Nobel de Física de 2006 por la medición de anisotropías en el CMB y es uno de los autores del artículo. "Genera mucho entusiasmo el que podamos medir realmente con lentes gravitacionales cómo ha colapsado la materia oscura y cómo evolucionó desde el comienzo".
Una meta en el estudio de la evolución de la estructura es entender la materia oscura en sí y cómo interactúa con la materia ordinaria que podemos ver. Otra meta es entender más acerca de la energía oscura, el misterioso fenómeno que está separando la materia y causa que el Universo se expanda en forma acelerada. Muchas cuestiones quedan sin responder: ¿ la energía oscura es constante o es dinámica? ¿O es meramente una ilusión causada por una limitación en la Teoría de la Relatividad General de Einstein?
Las herramientas provistas por la relación masa-luminosidad extendida servirán para responder estas cuestiones acerca de los roles opuestos de la gravedad y la energía oscura en la organización del Universo, ahora y en el futuro.
Imágenes
Superior: emisión de rayos X en el campo del cosmos.
Inferior: emisión de rayos X en un cúmulo de galaxias.
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