El cúmulo de Fénix: un gigante cósmico enfriándose a un ritmo sorprendente
Las observaciones del telescopio espacial James Webb de la NASA ayudan a explicar el misterioso estallido estelar de uno de los cúmulos galácticos más masivos y luminosos conocidos, que habitualmente solo se observa en galaxias más jóvenes.
Por Jennifer Chu / MIT News
El cúmulo de galaxias Fénix se encuentra a aproximadamente 5.7 mil millones de años luz de la Tierra, en la constelación de Fénix. Es uno de los cúmulos de galaxias más masivos y luminosos conocidos, y destaca porque su agujero negro supermasivo central podría estar alimentando un inusual proceso de enfriamiento y formación estelar en su galaxia central. Cortesía: NASA
El núcleo de un enorme cúmulo de galaxias parece producir muchas más estrellas de las que debería. Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachisetts (MIT), en Estados Unidos, y de otros centros han descubierto un ingrediente clave dentro del cúmulo que explica el prolífico brote estelar del núcleo.
En un nuevo estudio publicado en Nature, los científicos informan de que han utilizado el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA para observar el cúmulo del Fénix, una extensa colección de galaxias ligadas gravitatoriamente que rodean una galaxia central masiva situada a unos 5.800 millones de años luz de la Tierra.
Este cúmulo es el mayor de su clase observado hasta ahora por los científicos. Por su tamaño y edad estimada, el Fénix debería ser lo que los astrónomos denominan «rojo y muerto», es decir, sin la formación estelar característica de las galaxias más jóvenes.
El paritorio de Fénix
Pero los astrónomos descubrieron anteriormente que el núcleo del cúmulo de Fénix parecía sorprendentemente brillante, y que la galaxia central parecía estar produciendo estrellas a un ritmo extremadamente vigoroso. Las observaciones plantearon un misterio: ¿cómo estaba alimentando el cúmulo de Fénix una formación estelar tan rápida?
En las galaxias más jóvenes, el combustible para forjar estrellas es en forma de nubes extremadamente frías y densas de gas interestelar. Para el cúmulo de Fénix, mucho más antiguo, no estaba claro si la galaxia central podría experimentar el enfriamiento extremo del gas que se requeriría para explicar su producción estelar, o si el gas frío migró desde otras galaxias más jóvenes.
Ahora, el equipo del MIT ha obtenido una visión mucho más clara del núcleo del cúmulo, gracias a las capacidades de medición infrarroja de gran alcance del JWST. Por primera vez, los astrónomos han sido capaces de cartografiar regiones dentro del núcleo donde hay bolsas de gas caliente.
De caliente a templado y a frío
Los investigadores habían visto previamente indicios de gas muy caliente y gas muy frío, pero nada en el medio. La detección de gas caliente confirma que el cúmulo Phoenix se está enfriando activamente y que es capaz de generar una gran cantidad de combustible estelar por sí solo.
«Por primera vez tenemos una imagen completa de la fase de caliente a templado y a frío en la formación estelar, que realmente nunca se ha observado en ninguna galaxia —afirma el autor principal del estudio, Michael Reefe, estudiante graduado de Física en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT. Y añade—: Hay un halo de este gas intermedio en todas partes que podemos ver».
«La pregunta ahora es la siguiente: ¿por qué este sistema? —propone el coautor del estudio Michael McDonald, profesor de Física en el MIT. Y añade—: Este enorme brote estelar podría ser algo por lo que todos los cúmulos pasan en algún momento de su existencia, pero solo lo estamos viendo ocurrir actualmente en un cúmulo. La otra posibilidad es que haya algo divergente en este sistema, y que el Fénix haya seguido un camino que otros sistemas no siguen. Sería interesante explorarlo».
Un cúmulo con un millar de galaxias
El cúmulo de Fénix fue detectado por primera vez en 2010 por astrónomos que utilizaban el Telescopio del Polo Sur en la Antártida. El cúmulo está compuesto por aproximadamente mil galaxias y se encuentra en la constelación de Fénix, de donde toma su nombre.
Dos años después, McDonald lideró un esfuerzo para estudiar el cúmulo con múltiples telescopios, y descubrió que su galaxia central era extremadamente brillante. Esta luminosidad inesperada se debía a un intenso proceso de formación estelar. Él y sus colegas estimaron que la galaxia central estaba formando alrededor de mil estrellas por año, una tasa sorprendente.
"Antes del Fénix, el cúmulo de galaxias con mayor formación estelar en el universo producía unas cien estrellas al año, y eso ya era una excepción. El número típico es aproximadamente de una —dice McDonald—. El Fénix realmente destaca del resto de la población».
El núcleo del cúmulo Fénix se observa en todo el espectro electromagnético. Los rayos X (púrpura) revelan el gas caliente, mientras que los contornos morados muestran áreas desplazadas por los chorros de radio del agujero negro supermasivo (rojo). La luz visible del gas frío y las estrellas aparece en azul y amarillo, y los contornos verdes indican el gas caliente en proceso de enfriamiento, recientemente medido con el JWST en un estudio del MIT. Cortesía: NASA
Agujeros negros que escupen chorros de partículas supernergéticas
Desde ese descubrimiento, los científicos han revisado el cúmulo de vez en cuando en busca de pistas para explicar esta producción estelar tan anormalmente alta. Han observado bolsas de gas ultracaliente, de aproximadamente 555.380 ºC, y regiones de gas extremadamente frío, de 10 kelvins, o diez grados por encima del cero absoluto.
La presencia de gas muy caliente no es una sorpresa: la mayoría de las galaxias masivas, jóvenes y viejas, albergan agujeros negros en sus núcleos que emiten chorros de partículas extremadamente energéticas que pueden calentar continuamente el gas y el polvo de la galaxia durante toda la vida de una galaxia.
Solo en las primeras etapas de una galaxia parte de este gas ultracaliente se enfría drásticamente a temperaturas ultrafrías que luego pueden formar estrellas. Para la galaxia central del cúmulo de Fénix, que debería haber pasado la etapa de enfriamiento extremo, la presencia de gas ultrafrío presentaba un rompecabezas.
La hipótesis de partida
«Pero ¿de dónde vino este gas frío? — se pregunta McDonald. Y responde—: No es seguro que el gas caliente se enfríe alguna vez, porque podría haber retroalimentación de un agujero negro o una supernova. Entonces, hay algunas opciones viables. La más simple es que este gas frío fue arrojado al centro de otras galaxias cercanas. La otra es que este gas, de alguna manera, se enfría directamente a partir del gas caliente del núcleo».
Para su nuevo estudio, los investigadores partieron de una hipótesis clave: si el gas frío de formación estelar del cúmulo de Fénix procede del interior de la galaxia central, y no de las galaxias circundantes, la galaxia central no solo debería tener bolsas de gas caliente y frío, sino también gas en una fase intermedia cálida.
Detectar ese gas intermedio sería como atrapar el gas en medio de un enfriamiento extremo, lo que serviría como prueba de que el núcleo del cúmulo era realmente la fuente del combustible estelar frío.
El James Webb busca a «Ricitos de oro»
Siguiendo este razonamiento, el equipo trató de detectar cualquier gas caliente dentro del núcleo del cúmulo de Fénix. Buscaban gas que estuviera entre diez y un millón de kelvins. Para buscar este gas Ricitos de oro en un sistema situado a 5.800 millones de años luz, los investigadores recurrieron al JWST, capaz de observar más lejos y con mayor claridad que ningún otro observatorio hasta la fecha.
El equipo utilizó el espectrómetro de resolución media en el instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del JWST, que permite a los científicos mapear la luz en el espectro infrarrojo. En julio de 2023, el grupo de astrónomos enfocó el instrumento en el núcleo de Phoenix y recabó doce horas de imágenes infrarrojas.
Buscaron una longitud de onda específica que se emite cuando el gas, específicamente el gas neón, sufre una cierta pérdida de iones. Esta transición ocurre alrededor de los 300.000 ºC, una temperatura que se encuentra dentro del rango cálido que los investigadores buscaron detectar y mapear. El equipo analizó las imágenes y cartografió los lugares donde se observó gas caliente dentro de la galaxia central.
Como un letrero de neón
«Este gas a 300.000 grados es como un letrero de neón que brilla en una longitud de onda de luz específica, y pudimos ver grupos y filamentos de él en todo nuestro campo de visión —dice Reefe—. Se veía por todas partes».
Basándose en la extensión del gas caliente en el núcleo, el equipo estima que la galaxia central está experimentando un enorme grado de enfriamiento extremo y está generando una cantidad de gas ultrafrío cada año que equivale a la masa de unos 20.000 soles. Con semejante suministro de combustible estelar, el equipo del MIT afirma que es muy probable que la galaxia central esté generando su propio brote estelar, en lugar de utilizar el combustible de las galaxias circundantes.
«Creo que entendemos perfectamente lo que está ocurriendo, en términos de qué está generando todas estas estrellas —afirma McDonald—. No entendemos por qué. Pero este nuevo trabajo ha abierto una nueva vía para observar estos sistemas y comprenderlos mejor».▪️
Artículo publicado con la autorización de MIT News -Adaptado por Enrique Coperías
Fuente: Reefe, M., McDonald, M., Chatzikos, M. et al. Directly imaging the cooling flow in the Phoenix cluster. Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08369-x
