Un estudio publicado recientemente en la revista Astronomía de la naturaleza y que cuestiona los modelos actuales de formación de estructuras en el universo se basa en datos obtenidos con el Gran Telescopio Canarias y entre sus autores se encuentra un equipo de investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

La estructura del universo se puede comparar a la de una esponja, a menudo conocida como la red cósmica. La materia se concentra a lo largo de filamentos que se cruzan entre sí, formando zonas donde se acumula la mayor parte de la materia, y otros donde hay muy poco. En los puntos más densos, las galaxias se agrupan, formando racimos. Estos sistemas, que puede contener miles de galaxias, son las estructuras más masivas del universo.

Estudiar la red cósmica es uno de los retos actuales de la astrofísica. Las propiedades de los principales componentes de la materia en estas escalas no son bien conocidas, así que usamos términos como "materia oscura" y "energía oscura". El primero constituye alrededor del 20 por ciento de la masa del universo y es lo que mantiene las estructuras unidas por su propia gravedad; actúa un poco como pegamento. El segundo, por otra parte, constituye el 75 por ciento del universo y está relacionado con la forma en que el universo se expande. El asunto "normal", las galaxias con sus estrellas, gas, y polvo, constituyen apenas el 5 por ciento de la masa del universo, pero juegan un papel importante en el rastreo de las fuerzas y propiedades de la materia oscura y las energías oscuras.

Un equipo internacional liderado por Mauro Sereno de la Universidad de Bolonia (Italia), con la participación del IAC y del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), ha localizado uno de los cúmulos de galaxias más densos del universo. El estudio analiza, por primera vez, las zonas exteriores del cúmulo de galaxias PSZ2 G099.86 + 58.45 en un radio de 90 millones de años luz, una región en la que la distribución de la materia no se conocía previamente, ni si el material en estas zonas está unido por la gravedad del racimo.

El entorno de los cúmulos de galaxias incluye otras estructuras como los filamentos y otros cúmulos vecinos, y el material que cae hacia el cúmulo central más masivo. "Este estudio muestra que la densidad de la materia alrededor del cúmulo que estudiamos es hasta seis veces mayor de lo esperado, "dice Mauro Sereno, el investigador principal. Además, los investigadores han descubierto que los mecanismos que acumulan masa pueden dar lugar a densidades muy elevadas, incluso a grandes distancias de estos cúmulos de galaxias.

El trabajo se basa en el efecto "lente gravitacional", que sucede cuando la masa de un cúmulo y su material circundante desvían la luz de galaxias muy distantes, cambiando las formas de las imágenes de estas galaxias de fondo. Cuanto más denso y concentrado sea el cuerpo actuando como una lente, mayor es la deformación de las galaxias de fondo. El estudio estadístico de las deformaciones durante más de 150, 000 galaxias de fondo a través del llamado efecto de "lente débil" utilizando imágenes profundas obtenidas con el CFHT (Telescopio Canadá-Francia-Hawai) han permitido al equipo encontrar la distribución, masa, y densidad alrededor del clúster PSZ2 G099.86 + 58.45. Los resultados muestran que este grupo es una rara excepción, que no encaja bien con los modelos de formación de estructuras. Esto implica que debe haber mecanismos de acumulación de materia que sean mucho más eficientes que los que conocemos.

Aunque los modelos se ajustan bien a la densidad de la materia en las regiones internas de los cúmulos de galaxias a una distancia de 15 a 20 millones de años luz, en las regiones exteriores, los modelos necesitan un componente adicional para ajustarse a los datos observados. "Este componente de masa es completamente desconocido, y las simulaciones numéricas de cúmulos de galaxias no lo predicen, "explica Rafael Barrena, un investigador del IAC, uno de los autores del artículo publicado en Astronomía de la naturaleza "Así que nos enfrentamos a evidencia observacional de grandes cantidades de materia donde no esperábamos encontrarla".

El grupo IAC que participa en esta publicación ha realizado observaciones espectroscópicas de una muestra de galaxias que forman parte del cúmulo PSZ2 G099.86 + 58.45 utilizando el espectrógrafo multiobjeto OSIRIS en el Gran Telescopio Canaris (GTC) en el Observatorio Roque de los Muchachos ( Garafía, La Palma). Midiendo las velocidades de los movimientos de las galaxias en el cúmulo es posible medir su masa total.

Como problema práctico, esto equivale a medir la masa del sol utilizando las velocidades de los planetas en sus órbitas. Usando este método, han logrado medir la masa total del cúmulo. Los resultados confirman que PSZ2 G099.86 + 58.45 es muy masivo, denso cúmulo de galaxias, y que los efectos de su muy poderoso campo gravitacional se extienden a distancias muy alejadas de su centro, mucho mayor de lo que predicen los modelos.

"Hemos elaborado un estudio que abre la puerta a una región del universo que hasta ahora no ha sido suficientemente explorada, el límite entre cúmulos de galaxias, "dice la investigadora del IAC Alina Streblyanska, uno de los autores del artículo. Esta es una región que puede darnos mucha información cuando estudiamos estos sistemas, cómo se formaron, y como estas, las estructuras más masivas del universo, han evolucionado. Con este estudio, hemos dado otro pequeño paso hacia la comprensión de la materia oscura y cómo se distribuye en la red cósmica del universo, "concluye Antonio Ferragamo, Investigador IAC.