¡Choque cósmico! La fusión de dos cúmulos de galaxias revela secretos del universo
La colisión de dos cúmulos de galaxias en el sistema CIZA J0107.7+5408 ofrece pistas sobre la formación de estructuras gigantescas y los misterios de la materia oscura. Un espectáculo celeste que redefine los límites de la astrofísica.
Por Enrique Coperías
Imagen de separación espectral producida mediante una técnica relacionada con la de la tomografía espectral con el fin de resaltar los componentes más planos y escarpados de CIZA0107. Crédito: arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2412.15015
Un equipo internacional de astrónomos, liderado por Emma Schwartzman, del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos, ha utilizado el Very Large Array (VLA), en San Agustín (Nuevo México) para observar un evento espectacular en el cosmos: la fusión de dos cúmulos de galaxias en el sistema CIZA J0107.7+5408, conocido como CIZA0107.
Este cúmulo, ubicado a unos 1,5 mil millones de años luz de distancia, es un ejemplo fascinante de cómo los cúmulos de galaxias colisionan y evolucionan. Los resultados de este estudio, recientemente publicados en el servidor de preimpresiones arXiv, ofrecen una ventana única para entender las dinámicas extremas del universo y los procesos físicos que las acompañan.
Los cúmulos de galaxias son estructuras inmensas que contienen hasta miles de galaxias unidas gravitacionalmente, junto con materia oscura y gas caliente, conocido como medio intracúmulo (ICM). Estos cúmulos crecen y evolucionan principalmente mediante la fusión de subcúmulos más pequeños, eventos que liberan cantidades de energía inimaginables y que calientan el gas a millones de grados. Todo esto genera ondas de choque y turbulencias.
Una oportunidad para estudiar la meteria oscura
Estudiar fusiones como la del cúmulo CIZA0107 permite a los científicos explorar fenómenos que no pueden ser replicados en laboratorios terrestres, como la dinámica de los frentes de choque en el medio intracúmulo, los procesos de aceleración de rayos cósmicos y las propiedades fundamentales de la materia oscura.
Estos eventos, además, producen radiación en diversas longitudes de onda, desde rayos X hasta ondas de radio, lo que permite analizar las interacciones entre partículas relativistas y campos magnéticos a gran escala.
El cúmulo CIZA0107 es un sistema disociativo, lo que significa que las galaxias y la materia oscura de los subcúmulos involucrados han seguido trayectorias relativamente rectas durante la colisión, mientras que el gas difuso ha sido ralentizado y comprimido por fuerzas de presión de arrastre.
Observaciones de radio innovadoras
Este fenómeno crea una separación notable entre los picos de densidad de las galaxias y los picos de emisión de rayos X. La configuración general muestra dos subcúmulos principales: uno al noreste (NE) y otro al suroeste (SW), con un eje de fusión alineado en esta dirección.
El equipo de Schwartzman realizó observaciones a frecuencias de 240–470 MHz y 2.0–4.0 GHz con el VLA, lo que les permitió obtener imágenes de alta resolución de la emisión de radio difusa. Los resultados confirmaron el estado dinámico complejo del cúmulo CIZA0107, y revelan un sistema perturbado y con características únicas. Entre ellas, podemos destacar estas cuatro:
Emisión de radio difusa. Se detectó emisión en ambos subcúmulos, con una extensión de aproximadamente 1,6 millones de años luz en cada uno. Esta emisión parece estar asociada a electrones relativistas —partículas cargadas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz, adquiriendo energías muy altas— que interactúan con campos magnéticos en el medio intracúmulo.
Regiones de espectro ultrainclinado (USS). En el subcúmulo SW, se identificaron dos regiones con espectros muy inclinados (índices de aproximadamente -2.2 y -2.9), conocidas como fénix de radio. Estas regiones podrían representar electrones antiguos reenergizados por la compresión debida al choque generado durante la fusión.
Borde abrupto en la emisión. A 340 MHz, la emisión de radio muestra un límite nítido en el subcúmulo SW, coincidiendo con una discontinuidad en la emisión de rayos X y un aumento en la temperatura del gas, características típicas de una onda de choque. Sin embargo, a 3.0 GHz, este borde no es visible, y la emisión se extiende más allá del choque.
Similitud espectral. Ambos subcúmulos tienen índices espectrales similares (aproximadamente -1.3), lo que sugiere propiedades dinámicas comparables en sus emisiones de radio difusa.
El cúmulo CIZA0107 es disociativo, lo que implica que las galaxias y la materia oscura mantienen trayectorias rectas tras la colisión, mientras que el gas difuso se ralentiza y comprime por la presión de arrastre.
Posibles interpretaciones
Los hallazgos sugieren dos posibles escenarios para la naturaleza de la emisión de CIZA0107:
Estructura doble de halos de radio: Los subcúmulos podrían albergar halos de radio, una clase de emisión difusa generada por la reenergización de electrones a través de turbulencias en el gas. La posición del sistema en relaciones empíricas entre la luminosidad de los halos y la masa del cúmulo respalda esta idea.
Reliquias de radio proyectadas: Alternativamente, la emisión podría provenir de reliquias de radio, estructuras asociadas a ondas de choque. Estas reliquias podrían estar superpuestas en la línea de visión, aunque sus luminosidades parecen inferiores a las típicas de sistemas similares.
Sin duda alguna, el cúmulo CIZA0107 es un sistema fascinante y complejo que ofrece una oportunidad excepcional para explorar la física extrema de las fusiones de cúmulos de galaxias. Observaciones futuras en frecuencias más altas, combinadas con simulaciones numéricas, serán clave para distinguir entre los posibles escenarios y para comprender mejor los procesos de aceleración de partículas y la dinámica de estos eventos.
Este estudio no solo amplía nuestra comprensión de las fusiones galácticas, sino que también contribuye a responder preguntas fundamentales sobre la evolución del universo, los campos magnéticos cósmicos y la naturaleza de la materia oscura. ▪️
Fuente: Emma Schwartzman et al. Multi-frequency Radio Observations of the Dissociative Cluster Merger CIZA J0107.7+5408. arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2412.15015
