Astrónomos han desenredado una colisión desordenada entre dos cúmulos de galaxias masivos en los que las vastas nubes de materia oscura de los cúmulos se han desacoplado de la llamada materia normal.
Los dos cúmulos contienen cada uno miles de galaxias y están situados a miles de millones de años luz de la Tierra. A medida que se abrían paso uno sobre el otro, la materia oscura --una sustancia invisible que siente la fuerza de la gravedad pero no emite luz-- se aceleraba más rápido que la materia normal. Las nuevas observaciones son las primeras en investigar directamente el desacoplamiento de las velocidades de la materia oscura y la normal.
Los cúmulos de galaxias se encuentran entre las estructuras más grandes del universo, unidas por la fuerza de la gravedad. Sólo el 15 por ciento de la masa de estos cúmulos es materia normal, la misma materia que compone los planetas, las personas y todo lo que vemos a nuestro alrededor. De esta materia normal, la gran mayoría es gas caliente, mientras que el resto son estrellas y planetas. El 85 por ciento restante de la masa del cúmulo es materia oscura.
Durante la pugna que tuvo lugar entre los cúmulos, conocida como MACS J0018.5+1626, las galaxias individuales salieron prácticamente ilesas porque existe mucho espacio entre ellas. Pero cuando las enormes reservas de gas entre las galaxias (la materia normal) colisionaron, el gas se volvió turbulento y se sobrecalentó. Si bien toda la materia, incluida la materia normal y la materia oscura, interactúa a través de la gravedad, la materia normal también interactúa a través del electromagnetismo, que la frena durante una colisión. Entonces, mientras que la materia normal se empantanó, los depósitos de materia oscura dentro de cada cúmulo continuaron su camino.
Piense en una colisión masiva entre múltiples camiones que transportan arena, sugiere en un comunicado Emily Silich, autora principal de un nuevo estudio que describe los hallazgos en The Astrophysical Journal. «La materia oscura es como la arena y vuela hacia adelante». Silich es una estudiante de posgrado que trabaja con Jack Sayers, profesor de investigación de física en Caltech e investigador principal del estudio.
El descubrimiento se realizó utilizando datos del CSO (Observatorio Submilimétrico de Caltech) -que recientemente fue retirado de su sitio en Maunakea en Hawai y será reubicado en Chile-, el Observatorio W.M. Keck en Maunakea, el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, el Observatorio Espacial Herschel y el Observatorio Planck de la Agencia Espacial Europea (cuyos centros científicos afiliados a la NASA estaban basados en el IPAC de Caltech), y el Experimento del Telescopio Submilimétrico de Atacama en Chile. Algunas de las observaciones se realizaron hace décadas, mientras que el análisis completo utilizando todos los conjuntos de datos se llevó a cabo durante los últimos años.
Este tipo de disociación de la materia oscura y la normal ya se ha visto antes, la más famosa fue en el Cúmulo Bala. En esa colisión, se puede ver claramente que el gas caliente va rezagado con respecto a la materia oscura después de que los dos cúmulos de galaxias se atravesaran. La situación que tuvo lugar en MACS J0018.5+1626 es similar, pero la orientación de la fusión está rotada, aproximadamente 90 grados con respecto a la del cúmulo Bullet.
En otras palabras, uno de los cúmulos masivos de MACS J0018.5 vuela casi en línea recta hacia la Tierra mientras que el otro se aleja a toda velocidad. Esa orientación proporcionó a los investigadores un punto de observación único desde el que, por primera vez, trazar un mapa de la velocidad tanto de la materia oscura como de la materia normal y dilucidar cómo se desacoplan entre sí durante una colisión de cúmulos de galaxias.
«Con el cúmulo Bullet, es como si estuviéramos sentados en una tribuna viendo una carrera de autos y pudiéramos capturar hermosas instantáneas de los autos moviéndose de izquierda a derecha en la recta», dice Sayers. «En nuestro caso, es más como si estuviéramos en la recta con una pistola de radar, parados frente a un auto que viene hacia nosotros y pudiéramos obtener su velocidad».
Para medir la velocidad de la materia normal, o gas, en el cúmulo, los investigadores utilizaron un método de observación conocido como efecto cinético Sunyaev-Zel'dovich (SZ). Sayers y sus colegas detectaron por primera vez mediante observación el efecto cinético SZ en un objeto cósmico individual, un cúmulo de galaxias llamado MACS J0717, en 2013, utilizando datos del CSO (las primeras observaciones del efecto SZ tomadas de MACS J0018.5 datan de 2006).