El telescopio espacial Planck halla un nuevo supercúmulo galáctico

Durante un reconocimiento del cielo en la gama de microondas, Planck ha obtenido sus primeras imágenes de cúmulos de galaxias, que están entre los objetos más grandes del Universo, por medio del efecto Sunyaev-Zel’dovich, que deja su señal característica sobre el fondo cósmico de microondas

Uniendo fuerzas en una fructífera colaboración entre misiones de la ESA, el XMM-Newton ha seguido las detecciones de Planck, revelando que uno de ellas es un desconocido supercúmulo de galaxias

La materia del universo se distribuye de una manera concentrada, las estrellas se agrupan en galaxias y éstas a su vez se juntan con otras galaxias para formar enormes racimos, rodeados de amplios espacios vacíos. Los cúmulos de galaxias pueden albergar hasta un millar de galaxias, y éstas están permeadas de gas caliente, que brilla con fuerza en rayos X; además, según se calcula, la mayor parte de su masa está formada de materia oscura. En una escala aún mayor están los supercúmulos, grandes conjuntos de grupos de galaxias y cúmulos, localizados en las intersecciones entre planos y filamentos de una rala red cósmica. Como la observación de cúmulos y supercúmulos marca tanto la distribución de la luminosidad y la materia oscura en el universo, su observación es crucial para probar cómo formaron y evolucionaron las estructuras cósmicas.

El principal objetivo de Planck es capturar la luz más antigua en el cosmos, el Fondo Cósmico de Microondas (en inglés Cosmic Micowave Background o, abreviado, CMB) y para este propósitio cuenta con un importante conjunto de nueve canales de frecuencia que cubren todo el rango espectral, desde 30 a 857 GHz. Un cobertura espectral tan amplia no es sólo instrumental para eliminar todas las fuentes que contaminan el CMB, y así ofrecer lo que será la imagen más nítida del comienzo del universo. Esto también convierte al Planck en un excelente cazador de cúmulos de galaxias.

De hecho, los nueve canales de frecuencia fueron seleccionados cuidadosamente por el equipo de Planck para un fenómeno particular, conocido como efecto Sunyaev-Zel’dovich (SZE). Este efecto describe el cambio de energía que experimentan los fotones del CMB cuando pasan a través de un cúmulo de galaxias en su viaje hacia nosotros, imprimiendo en el proceso una señal distintiva sobre el propio CMB. Por lo tanto, el SZE representa una herramienta única para detectar cúmulos de galaxias, incluso a un alto corrimiento al rojo.

Esta imagen muestra el recién descubierto supercúmulo de galaxias
detectado por el Planck (con el efecto Sunyaev-Zel’dovich) y XMM-Newton
(en emisión de rayos X). (Crédito: Iimagen de Planck: ESA / consorcios
LFI y HFI; imagen de XMM-Newton: ESA)

«Cuando los fotones fósiles del Big Bang atraviesan el universo, interactúan en su viaje con toda la materia que encuentran: cuando viajan a través de los cúmulos de galaxias, por ejemplo, los fotones del CMB dispersan los electrones libres que están en el gas caliente que llena un cúmulo», explica Nabila Aghanim, del Instituto de Astrofísica Espacial en Orsay, Francia, y uno de los principales miembros del grupo de científicos de Planck que investigan los cúmulos con el SZE y las anisotropías secundarias. «Esas colisiones redistribuyen las frecuencias de los fotones de una manera particular que nos permite aislar el cúmulo interviniente de la señal del CMB».

Debido a que los electrones calientes del cúmulo son mucho más energéticos que los fotones del CMB, las interacciones entre las dos clases resultan, típicamente, en una dispersión de los fotones hacia energías más elevadas. Esto significa que, cuando se observa el CMB en dirección a un cúmulo de galaxias, se observa un déficit de fotones de baja energía con respecto a la señal media del CMB, y un superávit de otros más enérgicos. La frecuencia de corte que separa entre el déficit y el superávit corresponde a 217 GHz. Los canales de Planck sondean el espectro por debajo o por encima de este umbral, y uno de ellos está centrado exactamente en 217 GHz.

«Con esta cobertura espectral sin precedentes, Planck puede detectar atnto la señal positiva como la negativa de los cúmulos de galaxias; y es por lo tanto una herramienta excepcional para identificar la ubicación de estas enormes estructuras en el cielo y medir sus características físicas», señala Jan Tauber, científico del proyecto Planck, al comentar las primeras observaciones De SZE en las bandas de frecuencia del Planck. Estas primeras imágenes incluyen algunos cúmulos que son bien conocidas por los astrónomos, como el de Coma, un cúmulo cercano y muy caliente que se extiende más de dos grados en el cielo, y Abell 2319, otro cúmulo cercano.

El diseño de Planck, optimizado para detectar la señal SZE de cúmulos dispersos por todo el cielo, no es, sin embargo, adecuado para investigaciones profundas; su resolución no es suficiente para discernir detalles en la mayoría de ellos, en especial si se trata de los nuevos que se han descubierto, con un alto corrimiento al rojo. Se necesitan observaciones en otras longitudes de onda para definir los detalles de estas estructuras masivas. Como el gas caliente en los cúmulos de galaxias emite grandes cantidades de rayos X, las observaciones en esta banda espectral resultan particularmente útiles, ya que han probado ser el mismo componente responsable de producir el SZE.

Para confirmar su identidad, los cúmulos candidatos del Planck se comparan con los existentes catálogos de cúmulos, como el catálogo de rayos X ROSAT de cúmulos en todo el cielo. Cuando los candidatos de Planck no corresponden a ninguna estructura conocida, y después de un control cuidadoso de la calidad de la señal SZ, pueden convertirse en objetivo de las ulteriores observaciones con el observatorio de rayos X de la ESA, XMM-Newton.

«Con su excepcional sensibilidad, el XMM-Newton es el socio ideal para el seguimiento de las fuentes detectadas por Planck por medio del SZE», dice Monique Arnaud, del Servicio de Astrofísica del Commissariat à l’Energie Atómica, Francia, que lidera el grupo que sigue las fuentes del grupo de Planck con el XMM-Newton. La sinergia especial entre estas dos misiones de la ESA ha permitido que los astrónomos utilicen registros del XMM-Newton para confirmar si las detecciones de Planck realmente son cúmulos, y además ha revelado una estructura aún más grande: un supercúmulo de galaxias.

«Las observaciones del XMM-Newton han mostrado que uno de los candidatos es, en realidad, un supercúmulo, compuesto por al menos tres cúmulos masivos individuales de galaxias, que Planck, por sí solo, no podría haber resuelto», explica Arnaud.

«La sinergia entre las dos misiones ha demostrado ser muy exitosa, y el XMM-Newton continuará siguiendo las detecciones del Planck con el fin de confirmar la naturaleza de los candidatos a cúmulos», dijo Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton. En el futuro, el XMM-Newton puede realizar nuevas y más profundas observaciones de algunos de estos grupos con el fin de medir sus propiedades con mayor detalle.

«Esta es la primera vez que se ha descubierto un supercúmulo por medio del SZE», añade Aghanim. «Este importante descubrimiento abre una ventana totalmente nueva hacia los supercúmulos, una que complementa las observaciones de las galaxias individuales del mismo.»

La señal SZ del supercúmulo recién descubierto surge de la suma de señales de tres cúmulos individuales, con una posible contribución adicional de una estructura filamentosa inter-cumular. Esto proporciona pistas importantes sobre la distribución del gas a escalas muy grandes que, a su vez, son cruciales para el seguimiento de la distribución subyacente de la materia oscura.

«Estas primeras detecciones, revelando tanto cúmulos antes conocidos como otros nuevos, demuestra que Planck está trabajando extremadamente bien», comenta Tauber. «Por supuesto, esto es sólo un adelanto de los numerosos descubrimientos que seguramente llegarán a lo largo de la vida de la misión.»

La misión Planck de la ESA mapea el cielo en nueve frecuencias utilizando dos instrumentos de última generación, diseñados para producir mediciones de alta sensibilidad a multi-frecuencia de la difusa radiación celeste: el High Frequency Instrument (HFI) incluye bandas de frecuencia de 100 a 857 GHz, y el Low Frequency Instrument (LFI) incluye las bandas de 30 a 70 GHz.

La primer sondeo de Planck de todo el cielo comenzó a mediados de agosto de 2009 y se completó en junio de 2010. El Planck seguirá reuniendo datos hasta finales de 2011, tiempo durante el cual completará cuatro recorridos de todo el cielo.

El equipo de Planck está analizando en la actualidad los datos del primer estudio del cielo para identificar tanto los cúmulos de galaxias conocidos como los nuevos para el primer catálogo de Sunyaev-Zel’dovich, que será lanzado en enero de 2011, como parte del Early Release Compact Source Catalogue. Este catálogo será acompañado de artículos científicos.

El programa inicial de observaciones de seguimiento utilizando el XMM-Newton, realizado en Director’s Discretionary Time, tiene el objetivo principal de confirmar la naturaleza de un conjunto seleccionado de candidatos a cúmulos detectados por Planck por medio del SZE.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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