Astrónomos descubren el proto-supercúmulo de galaxias más distante jamás observado

Los cúmulos de galaxias son las estructuras más masivas gravitacionalmente unidas del universo. Estas enormes agrupaciones de cientos a miles de galaxias se extienden por millones de años luz y se mantienen unidas por grandes concentraciones de materia oscura, que actúa como bloque de construcción para la estructura más grande del cosmos.

Los cúmulos que los científicos observan relativamente cerca de nosotros en el espacio y el tiempo son estructuras maduras que evolucionaron a partir de los llamados “proto-cúmulos”, enormes colecciones de galaxias que están en proceso de fusionarse pero aún no se han establecido como un cúmulo estable. Al estudiar proto-cúmulos muy distantes que se formaron cuando el universo era relativamente joven, los científicos pueden comprender cómo los cúmulos de galaxias modernos crecieron y evolucionaron con el tiempo.

Con este objetivo, un equipo internacional de científicos liderado por Vandana Ramakrishnan, estudiante de posgrado en la Universidad de Purdue en el momento del estudio, buscó hacia atrás miles de millones de años para encontrar estos progenitores antiguos de cúmulos de galaxias. El equipo presentó sus hallazgos en un artículo publicado en The Astrophysical Journal.

“Con este proyecto, esperamos comprender el crecimiento de estructuras masivas en el universo y cómo influyen en la evolución de las galaxias dentro de ellas”, afirmó Ramakrishnan. “También esperamos obtener una mejor sensación de cómo estos proto-cúmulos están conectados con la red cósmica más grande”.

El estudio utilizó datos de la encuesta ODIN (One-hundred-deg2 DECam Imaging in Narrowbands), realizada con la Cámara de Energía Oscura (DECam) fabricada por el Departamento de Energía de Estados Unidos, montada en el telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de la NSF en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo en Chile, un programa de NSF NOIRLab. Con su amplio campo de vista y resolución de 570 megapíxeles, DECam dedicó más de 100 noches durante los últimos tres años a capturar imágenes profundas de una enorme área del cielo del hemisferio sur.

En total, el equipo identificó 150 proto-cúmulos distantes que se formaron cuando el universo tenía entre 1.000 y 3.000 millones de años. Redujeron su enfoque a dos cúmulos que mostraban una notable sobredensidad de galaxias, denominados COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C. La encuesta ODIN proporcionó las coordenadas 2D de las ubicaciones de estas estructuras en el cielo. Sin embargo, para obtener una verdadera sensación de su distribución de galaxias y cómo se ajustan a la red cósmica a gran escala, es necesaria una perspectiva 3D.

Para mapear estas estructuras en 3D, Ramakrishnan fue acompañada por otros dos estudiantes de posgrado, Byeongha Moon del Instituto Astronómico Espacial de Corea y Nicole Firestone de la Universidad Rutgers, para liderar observaciones de seguimiento utilizando un conjunto de instrumentos llamados espectrógrafos. En lugar de tomar una imagen 2D del cielo, los espectrógrafos usan las propiedades de la luz para medir la distancia a un objeto, permitiendo a los científicos determinar su posición en 3D.

La mayoría de los espectros utilizados en este estudio fueron adquiridos con el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), un potente espectrógrafo multi-objeto que puede medir la distancia a 5.000 galaxias diferentes simultáneamente. El equipo adquirió espectros adicionales usando el Espectrógrafo Multi-Objeto Gemini (GMOS) en el telescopio Gemini Sur en Chile, y el Espectrógrafo de Imagen Multi-Objeto Profundo (DEIMOS) en el telescopio Keck II en Hawái.

Este estudio es uno de los primeros en producir mapas 3D tan detallados de múltiples proto-cúmulos distantes. Los mapas permitieron al equipo predecir qué tipo de cúmulos evolucionarán COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C. Encontraron que ambos evolucionarán para ser más masivos que el cúmulo de galaxias más grande conocido en nuestro universo local, el Cúmulo de Coma.

Además, determinaron que COSMOS-z3.1-A es algo aún más raro que un proto-cúmulo, que ya es bastante escaso. Es un proto-supercúmulo, o el ancestro de un “cúmulo de cúmulos” de galaxias.

Habiendo sido observado cuando el universo tenía solo 2.100 millones de años, este es el proto-supercúmulo más temprano y distante jamás encontrado, y posee una masa impresionante 5.000 veces mayor que la de la Vía Láctea.

“COSMOS-z3.1-A representa las regiones más extremas y más sobredensas del universo”, dijo Ramakrishnan. “Pensamos que debería haber menos de un objeto así por cada 10.000 cúmulos de galaxias”.

A partir de sus detallados mapas 3D, el equipo concluye que estos antiguos proto-cúmulos son muy irregulares y se encuentran en las intersecciones de múltiples filamentos de la red cósmica. Esta es la primera vez que los científicos observan directamente tales características en el universo distante, y las observaciones coinciden con las expectativas de los científicos sobre cómo la materia se distribuye a lo largo del cosmos.

Los modelos actuales sugieren que la formación de estructuras procede de manera “de abajo hacia arriba”, con estructuras más pequeñas formándose primero y fusionándose para dar lugar a estructuras más grandes. Es probable que la estructura subestructurada agrupada vista en los mapas 3D sea evidencia de este crecimiento de abajo hacia arriba. Los grupos se colapsarán juntos a medida que los proto-cúmulos evolucionen, dando origen a cúmulos similares a los que vemos en el universo local, que tienen formas mucho más redondeadas.

Con su amplio campo y profundidad, ODIN está bien posicionada para descubrir más de estas estructuras cósmicas masivas en el universo distante. El equipo espera más descubrimientos en la próxima década mientras el Observatorio Vera C. Rubin de NSF-DOE realiza su Legacy Survey of Space and Time (LSST).