Release Number: 05-15-2007
Astrónomos utilizando el Telescopio Espacial Hubble de NASA han descubierto un fantasmal anillo de materia oscura que se formó hace mucho tiempo durante una colisión titánica entre dos masivos cúmulos de galaxias.
El descubrimiento del anillo está entre la más fuerte evidencia hasta ahora de que la materia oscura existe. Los astrónomos han sospechado por tiempo la existencia de la sustancia invisible como la fuente de gravedad adicional que mantiene íntegros los cúmulos de galaxias. Estos cúmulos se dispersarían si sólo contaran con la gravedad de sus estrellas visibles. Aún cuando los astrónomos no saben de qué está hecha la materia oscura, ellos plantean que es un tipo de partícula elemental que permea todo el universo.
Esta imagen compuesta del Hubble muestra el anillo de materia oscura en el cúmulo de galaxias Cl 0024+17. La estructura anular es evidente en el mapa azul de la distribución de la materia oscura del cúmulo. El mapa se basa en las observaciones del Hubble sobre cómo la gravedad del cúmulo Cl 0024+17 distorsiona la luz de las galaxias más distantes, una ilusión óptica llamada lente gravitacional. Aún cuando los astrónomos no pueden ver la materia oscura, pueden inferir su existencia mapeando las formas distorsionadas de las galaxias del fondo. El mapa está superpuesto en una imagen del Hubble Advanced Camera for Surveys del cúmulo tomada en Noviembre 2004.
"Esta es la primera vez que hemos detectado materia oscura con una estructura que es distinta de la del gas y las galaxias del cúmulo", dijo el astrónomo M. James Jee de Johns Hopkins University en Baltimore, Md., miembro del equipo que encontró el anillo de materia oscura.
Los investigadores encontraron el anillo inesperadamente cuando estaban mapeando la distribución de materia oscura dentro del cúmulo de galaxias Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652), localizado a 5.000 millones de años-luz de la Tierra. El anillo mide 2,6 millones de años-luz de diámetro. Aún cuando los astrónomos no pueden ver la materia oscura, pueden inferir su existencia en los cúmulos de galaxias observando cómo su gravedad tuerce la luz de las galaxias más distantes en el fondo.
"Aunque la materia invisible ha sido encontrada antes en otros cúmulos de galaxias, nunca había sido detectada estando tan grandemente separada del gas caliente y las galaxias que forman los cúmulos de galaxias", dijo Jee. "Mirando una estructura de materia oscura que no está trazada por galaxias y gas caliente, podemos estudiar cómo se comporta diferente de la materia normal".
Durante el análisis de la materia oscura por el equipo, notaron una ondulación en la misteriosa sustancia, algo parecido a las ondulaciones creadas en una poza por una piedra cayendo en el agua.
"Estaba molesto cuando vi el anillo porque pensé que era un artefacto, lo que hubiera implicado un error en nuestra reducción de los datos", explicó Jee. "No podía creer mi resultado. Pero mientras más trataba de remover el anillo, más se mostraba. Me tomó más de un año convencerme de que el anillo era real. He mirado en varios cúmulos y no he visto nada como esto".
Curioso sobre por qué el anillo estaba en el cúmulo y cómo se había formado, Jee encontró investigaciones previas que sugerían que el cúmulo había chocado con otro cúmulo hace 1 o 2 mil millones de años. La investigación, publicada en el 2002 por Oliver Czoske del Argeleander-Institut fur Astronomie en la Universitat Bonn, estaba basado en observaciones espectroscópicas de la estructura tridimensional del cúmulo. El estudio reveló dos distintos grupos de cúmulos de galaxias, indicando una colisión entre ambos cúmulos.
Los astrónomos tienen una vista frontal de la colisión porque fortuitamente ocurrió en la línea de vista de la Tierra. Desde esta perspectiva, la estructura de la materia oscura se ve como un anillo.
Las simulaciones de colisiones de cúmulos de galaxias, creadas por el equipo, muestran que cuando dos cúmulos chocan, la materia oscura cae al centro del cúmulo combinado y rebota hacia afuera. Mientras la materia oscura se mueve hacia afuera, comienza a desacelerar bajo la atracción de de la gravedad y se acumula, como los automóviles agrupados en una autopista.
"Estudiando esta colisión, vemos cómo la materia oscura responde a la gravedad", dijo el miembro del equipo Holland Ford de Johns Hopkins University. "La naturaleza está haciendo un experimento para nosotros que no podemos hacer en un laboratorio, y concuerda con nuestro modelos teóricos".
La materia oscura constituye la mayoría del material del universo. La materia ordinaria, que constituye las estrellas y planetas, comprende sólo un pequeño porcentaje de la materia del universo.
Trazar la materia oscura no es tarea fácil, porque no brilla ni refleja luz. Los astrónomos sólo pueden detectar su influencia por cómo su gravedad afecta la luz. Para encontrarla, los astrónomos estudian cómo la débil luz de las galaxias más distantes es distorsionada en arcos y borrones por la gravedad de la materia oscura en un cúmulo de galaxias en el primer plano, un poderoso truco llamado lente gravitacional. Mapeando la luz distorsionada, los astrónomos pueden deducir la masa del cúmulo y trazar cómo está distribuida la materia oscura en el cúmulo.
"La colisión entre los dos cúmulos de galaxias creó una ondulación de materia oscura que dejó sus distintivas huellas en las formas de las galaxias del fondo", explicó Jee. "Es como mirar los guijarros en el fondo de una poza con ondulaciones en su superficie. Las formas de los guijarros parecen cambiar cuando las ondulaciones pasan sobre ellas. Así también, las galaxias del fondo detrás del anillo muestran cambios coherentes en sus formas debido a la presencia del denso anillo."
Jee y sus colegas usaron la Advanced Camera for Surveys del Hubble para detectar las tenues, distorsionadas y lejanas galaxias detrás del cúmulo, que no pueden resolverse con telescopios terrestres. "Las exquisitas imágenes y sensibilidad sin par a las galaxias tenues lo hacen la única herramienta para esta medición", dijo Richard White del Space Telescope Science Institute en Baltimore, miembro del equipo.
Previas observaciones del "Bullet Cluster" con el Hubble y el Chandra X-ray Observatory presentaron un vista lateral de un encuentro similar entre dos cúmulos de galaxias. En esa colisión, la materia oscura fue separada del gas caliente del cúmulo, pero la materia oscura todavía sigue la distribución de las galaxias y el gas caliente. Cl 0024+17 es el primer cúmulo que muestra una distribución de materia oscura que difiere de la distribución de tanto las galaxias como del gas caliente.
El trabajo del equipo aparece en la edición de Junio 1 del Astrophysical Journal.
NASA Encuentra Prueba Directa de Materia Oscura
La materia oscura [en azul] y la normal [en rojo] han sido separadas por la tremenda colisión de dos grandes cúmulos de galaxias. El descubrimiento, usando el Chandra X-ray Observatory de NASA y otros telescopios, produce evidencia directa de la existencia de materia oscura.
"Este es el más energético evento cósmico, aparte del Big Bang, del que sabemos", dijo el miembro del equipo Maxim Markevitch del Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en Cambridge, Mass.
Estas observaciones proveen la más fuerte evidencia hasta ahora de que la mayor parte de la materia en el universo es oscura. Pese a la considerable evidencia sobre materia oscura, algunos científicos han propuesto teorías alternas para la gravedad donde es más fuerte, en las escalas intergalácticas, que las predichas por Newton y Einstein, eliminando la necesidad de materia oscura. Sin embargo, tales teorías no pueden explicar los efectos observados en esta colisión.
"Un universo que está dominado por material oscuro parece absurdo, y queríamos saber si había algún defecto básico en nuestro parecer", dijo Doug Clowe de la Universidad de Arizona en Tucson, y líder del estudio. "Estos resultados son prueba directa de que la materia oscura existe".
En los cúmulos de galaxias, la materia normal, como los átomos que hacen las estrellas, planetas, y todo en la Tierra, está primariamente en la forma de gas caliente y estrellas. La masa de gas caliente entre las galaxias es mucho mayor que la masa de las estrellas en todas las galaxias. Esta materia normal está atada en el cúmulo por la gravedad de una masa aún mayor de materia oscura. Sin materia oscura, que es invisible y sólo puede ser detectada a través de su gravedad, las veloces galaxias y el gas caliente se separarían rápidamente.
El equipo obtuvo más de 100 horas del Telescopio Chandra para observar el cúmulo galáctico 1E0657-56. Este cúmulo también es conocido como el cúmulo bala, "bullet cluster", porque contiene una espectacular nube en forma de bala de gas a un centenar de millones de grados. La imagen en rayos-X muestra que la forma de bala se debe al viento producido por la colisión a alta velocidad de una galaxia más pequeña con una más grande.
Además de la observación del Chandra, el Telescopio Espacial Hubble, el Very Large Telescope del European Southern Observatory y los telescopios ópticos Magellan fueron usados para determinar la localización de la masa en los cúmulos. Esto se hizo midiendo el efecto de lente gravitacional, cuando la gravedad de los cúmulos distorsiona la luz de las galaxias del fondo como predice la teoría de la relatividad general de Einstein.
El gas caliente en esta colisión fue frenado por una fuerza de roce, similar a la resistencia del aire. En contraste, la materia oscura no fue frenada por el impacto, porque no interactúa directamente consigo misma o con el gas salvo a través de la gravedad. Esto produjo la separación de la materia oscura y la normal vista en los datos. Si el gas caliente fuera el componente más masivo en los cúmulos, como proponen las teorías alternativas de la gravedad, tal separación no habría sido vista. En cambio, se requiere materia oscura.
"Este es el tipo de resultado que las teorías futuras tendrán que tomar en cuenta", dijo Sean Carrol, un cosmólogo en la Universidad de Chicago, que no estaba involucrado con el estudio. "Al avanzar hacia el entendimiento de la verdadera naturaleza de la materia oscura, este nuevo resultado será imposible de ignorar".
Este resultado también da a los científicos más confianza en que la gravedad Newtoniana familiar en la Tierra y en el Sistema Solar también funciona en las gigantescas escalas de los cúmulos de galaxias.
"Hemos cerrado este resquicio sobre la gravedad, y hemos llegado más cerca que nunca a ver esta materia invisible", dijo Clowe.
Estos resultados están siendo publicados en un número venidero de "The Astrophysical Journal Letters".
El Marshall Space Flight Center de NASA, en Huntsville, Ala., gerencia el programa Chandra. El Smithsonian Astrophysical Observatory controla las operaciones de ciencia y vuelos desde el Chandra X-ray Center, Cambridge, Mass.
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