Una combinación de datos de observación y sofisticadas simulaciones por computadora ha producido avances en un campo de la astrofísica que ha languidecido durante medio siglo. La Encuesta de Energía Oscura, que está alojado en el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del Departamento de Energía de EE. UU., ha publicado una serie de nuevos resultados sobre lo que se llama luz intracluster, o ICL, un tipo de luz tenue que se encuentra dentro de los cúmulos de galaxias.

El primer estallido de nuevo Las mediciones de precisión de ICL aparecieron en un artículo publicado en El diario astrofísico en abril de 2019. Otro apareció más recientemente en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. En un hallazgo sorpresa de este último, Los físicos del DES descubrieron nueva evidencia de que ICL podría proporcionar una nueva forma de medir una sustancia misteriosa llamada materia oscura.

La fuente de ICL parece ser estrellas rebeldes, los que no están ligados gravitacionalmente a ninguna galaxia. Desde hace mucho tiempo se sospecha que la ICL posiblemente sea un componente importante de los cúmulos de galaxias, pero su debilidad hace que sea difícil de medir. Nadie sabe cuánto hay o en qué medida se ha extendido a través de los cúmulos de galaxias.

"Observacionalmente, descubrimos que la luz intracluster es un buen trazador radial de materia oscura. Eso significa que donde la luz intracluster es relativamente brillante, la materia oscura es relativamente densa, "dijo el científico del Fermilab Yuanyuan Zhang, quien dirigió ambos estudios. "Medir el ICL en sí es bastante emocionante. La parte de la materia oscura es un descubrimiento fortuito. No es lo que esperábamos".

Aunque invisible, la materia oscura representa la mayor parte de la materia del universo. En qué consiste la materia oscura se erige como uno de los mayores misterios de la cosmología moderna. Los científicos solo saben que difiere mucho de la materia normal que consiste en protones, neutrones y electrones que dominan la vida cotidiana.

Pero ICL, no materia oscura, inicialmente estaba en la agenda del equipo de investigación. La mayoría de los astrofísicos miden la luz intracluster en el centro de un cúmulo de galaxias, donde es más brillante y abundante.

"Nos alejamos mucho de los centros de los cúmulos de galaxias, donde la luz es realmente tenue, ", Dijo Zhang." Y cuanto más nos alejábamos del centro, cuanto más difícil se volvía la medición ".

Sin embargo, los colaboradores de DES lograron obtener la medición de ICL más extendida radialmente hasta la fecha.

El equipo utilizó lentes gravitacionales débiles para comparar la distribución radial de la ICL (cómo cambia con la distancia desde el centro de un cúmulo) con la distribución radial de la masa de un cúmulo de galaxias. La lente débil es un método sensible a la materia oscura para medir la masa de una galaxia o cúmulo. Ocurre cuando la gravedad de una estrella o cúmulo en primer plano desvía la luz de una galaxia más distante, distorsionando su forma aparente.

Observacionalmente resultó que ICL refleja la distribución tanto de la masa visible total de un cúmulo de galaxias como, posiblemente, la distribución de la materia oscura invisible.

"No esperábamos encontrar una conexión tan estrecha entre estas distribuciones radiales, pero lo hicimos "dijo el científico Hillysson Sampaio-Santos, el autor principal del nuevo artículo.

Comparación de observaciones con simulaciones

Para obtener más información, el equipo utilizó una simulación por computadora sofisticada para estudiar la relación entre ICL y la materia oscura. Descubrieron que los perfiles radiales entre los dos fenómenos en la simulación no coincidían con los datos de observación. En la simulación, "el perfil radial ICL no era el mejor componente para rastrear la materia oscura, "dijo Sampaio-Santos, que está con el Observatorio Nacional de Río de Janeiro, Brasil.

Zhang señaló que es demasiado pronto para decir exactamente qué causó el conflicto entre la observación y la simulación.

"Si la simulación no salió bien, podría significar que la luz intracluster simulada se produce en un momento ligeramente diferente al de las observaciones. Las estrellas simuladas no tuvieron tiempo suficiente para deambular y comenzar a rastrear la materia oscura, " ella dijo.

Sampaio-Santos señaló que más estudios de ICL podrían proporcionar información sobre la dinámica que ocurre dentro de los cúmulos de galaxias, incluyendo interacciones que liberan gravitacionalmente algunas de sus estrellas, permitiéndoles deambular.

"Estoy pensando en estudiar la luz intracluster y los efectos de la relajación, "o extendiéndose, él dijo. Por ejemplo, algunos grupos se han fusionado. Estos clústeres fusionados deben tener diferentes propiedades de ICL en comparación con los clústeres que están relajados.

Mejora de señales en conjuntos de datos ruidosos

El ICL que midió el equipo es de cien a mil veces más débil de lo que normalmente intentan los científicos del DES. Eso significa que el equipo tuvo que lidiar con mucho ruido y contaminación en la señal.

El aspecto técnico de la hazaña fue desafiante, Zhang dijo:"pero como teníamos bastantes datos de Dark Energy Survey, pudimos cancelar mucho ruido para hacer este tipo de medición. Es un promedio estadístico ".

Los astrofísicos suelen realizar mediciones de ICL utilizando un puñado de cúmulos de galaxias a la vez.

"Es una excelente manera de obtener información sobre los sistemas individuales, "Dijo Zhang.

Para obtener una imagen más amplia y reducir el ruido, el equipo de DES promedió estadísticamente alrededor de 300 cúmulos de galaxias en el primer estudio y más de 500 cúmulos en el segundo. Todos ellos están a un par de miles de millones de años luz de la Tierra.

Obtener la señal del ruido de cada grupo requiere una gran cantidad de datos, que es exactamente lo que ha generado el DES. A principios de 2019, DES completó su misión de seis años de observar cientos de millones de galaxias distantes en los cielos del sur y emitió públicamente su segunda publicación de datos a mediados de enero.

Las mediciones de ICL sondean grupos que se encuentran a una distancia de hasta 3.300 millones de años luz de la Tierra. En estudios futuros, A Zhang le gustaría estudiar la evolución del corrimiento al rojo de ICL:cómo cambia con el tiempo cósmico.

"Mi sueño es llegar hasta el corrimiento al rojo uno:10 mil millones de años luz, "Los estudios dicen que es entonces cuando la ICL acaba de comenzar a evolucionar", dijo Zhang.

Llegar tan lejos permitiría a los científicos ver la construcción de ICL a lo largo del tiempo.

"Pero eso es realmente difícil porque es tres veces mayor que la distancia de nuestras últimas mediciones, así que todo va a ser extremadamente tenue allí, " ella dijo.