Cuando los cúmulos de galaxias chocan, sucede algo interesante.
El cúmulo de galaxias en colisión de El Gordo, el más grande de su tipo en el universo observable, muestra la misma evidencia de separación de materia oscura y materia ordinaria cuando los cúmulos de galaxias chocan, como en otros cúmulos en colisión. Si se supone que la materia ordinaria por sí sola explica la gravedad, sus efectos deben ser no locales: la gravedad existe donde no existe masa/materia.
Las galaxias individuales y la materia oscura libre de colisiones se atraviesan ilesas.
La distribución de masa de esta imagen del Telescopio Espacial Hubble del cúmulo de galaxias Abell 1689 ha sido reconstruida mediante lentes gravitacionales y está superpuesta sobre la imagen óptica en azul. Si la interacción principal logra separar el gas del medio dentro del cúmulo de la ubicación de las galaxias, se podrá comprobar la presencia de materia oscura. Las diferencias entre los cúmulos antes y después de la colisión son pruebas clave para concluir que la materia oscura es la principal explicación de lo que observamos en nuestro universo.
Pero el gas dentro de cada grupo choca, se calienta y se vuelve lento.
Combinando datos sobre el cúmulo de Pandora, Abell 2744, procedentes del telescopio espacial infrarrojo James Webb y de los observatorios espaciales Chandra, sensibles a los rayos X, los científicos han podido identificar varias galaxias lenticulares, incluida una que ha estado emitiendo copiosas cantidades de La luz de rayos X desde principios de la historia del universo, aunque hubo muy poca radiación ultravioleta/visible/infrarroja. Este agujero negro “supermasivo” contiene información clave sobre la formación y crecimiento de los agujeros negros.
Esto crea una clara separación entre el gas emisor de luz y los efectos gravitacionales de la masa total.
Los mapas de rayos X (rosa) y materia total (azul) de diferentes cúmulos de galaxias en colisión muestran una clara separación entre la materia ordinaria y los efectos gravitacionales, y son algunas de las pruebas más sólidas de la existencia de materia oscura. Los rayos X son de dos tipos, blandos (de menor energía) y duros (de mayor energía), y las colisiones de galaxias pueden crear temperaturas que oscilan entre varios cientos de miles de grados y ~100 millones de Kelvin. Mientras tanto, el hecho de que los efectos gravitacionales (en azul) cambien la ubicación de la masa respecto de la materia ordinaria (en rosa) muestra que debe existir materia oscura. Sin materia oscura, estas observaciones (junto con muchas otras) no pueden explicarse adecuadamente.
En algunos grupos en colisión, las velocidades inferidas son muy rápidas: posiblemente demasiado rápidas para la cosmología moderna.
La imagen a tamaño completo de los cúmulos de galaxias en colisión Abell 399 y Abell 401 muestra datos de rayos X (rojo), datos de microondas Planck (amarillo) y datos de radio LOFAR (azul) combinados. Los cúmulos de galaxias individuales son claramente reconocibles, pero el puente de radio de electrones relativistas conectados a un campo magnético de 10 millones de años luz es increíblemente esclarecedor. Una lección importante es que la gran mayoría del gas dentro de un cúmulo de galaxias se encuentra en el centro del cúmulo, no en las galaxias mismas: al igual que la masa total dentro del cúmulo.
¿Pero tenemos las velocidades adecuadas? Tal vez no.
Esta animación de cuatro partes muestra galaxias individuales dentro de Abell 2744, el cúmulo de galaxias de Pandora, junto con datos de rayos X de Chandra (rojo) y un mapa de lentes construido a partir de datos de lentes gravitacionales (azul). El desajuste entre el El Bullet Cluster, así como otros cúmulos de galaxias, muestran características similares.
La mayoría de las colisiones de grupos se ven directamente: perpendiculares a nuestra línea de visión.
El cúmulo de balas, que surgió después de que un cúmulo de galaxias colisionara hace 3.800 millones de años en una región del espacio situada a unos 3.700 millones de años luz de distancia, representa una evidencia muy sólida de la existencia de materia oscura. La separación de los efectos gravitacionales (azul, reconstruido mediante lentes gravitacionales) de la ubicación de la mayor parte de la materia normal (rosa, revelada por las capacidades de rayos X de Chandra) es extremadamente difícil de explicar sin la presencia de materia oscura.
Pero otros se pueden ver directamente: como ver una colisión por alcance.
La imagen de campo completo de MACSJ0717.5+3745 muestra miles de galaxias en cuatro subcúmulos separados dentro del gran cúmulo. Las líneas azules muestran la distribución de masa inferida de los efectos de las lentes gravitacionales sobre los objetos del fondo. En este gráfico no se muestran los datos de rayos X, que muestran un desplazamiento entre el gas emisor de rayos X, que rastrea la distribución normal de la materia, y estas líneas azules, que mapean la masa total, incluida la materia oscura. Esta colisión grupal se produjo en gran medida a lo largo de la línea de visión, lo que explica su aparente caos.
Un caso de prueba interesante es MACJ0018.5+1626.
Esta ilustración muestra un cúmulo de galaxias en colisión llamado MACS J0018.5, aunque girado para que parezca como si los estuviéramos viendo de frente, en lugar de de frente. La materia oscura se ve en azul, navegando frente al gas, mientras que el gas caliente se desacelera y muestra choques, en naranja.
Su colisión a lo largo de la línea de visión crea Amplias emisiones de rayos X y radio..
Los datos de rayos X del cúmulo de galaxias en colisión MACS J0018.5+1626, que se muestran en color, también emiten señales de radio, que se muestran en contorno. Este es un ejemplo de una colisión directa entre dos cúmulos de galaxias, con una masa combinada de más de mil billones de masas solares.
Podemos medir estos movimientos calentando el CMB a través Efecto cinético Sunyaev-Zeldovic.
Las mediciones del satélite Planck de la temperatura del fondo cósmico de microondas en pequeñas escalas angulares pueden revelar un aumento o caída de temperatura de decenas de microkelvins como resultado del movimiento de los objetos: lo que se conoce como efecto cinético Sonev-Zeldovich. Podemos medir este efecto tanto para grupos de galaxias individuales como para grupos en colisión, y determinar el movimiento de la materia dentro de ellos.
Aunque hay sobresaltos, La colisión sólo se produce a unos 3000 km/s.o el 1% de la velocidad de la luz.
La columna de la izquierda muestra los movimientos relativos de galaxias individuales (arriba) y el medio intracúmulo (abajo) dentro de MACS J0018.5, mientras que la columna de la derecha muestra la masa total prevista (arriba) y la profundidad óptica del medio intracúmulo (abajo). La naturaleza de esta colisión directa la hace excepcionalmente útil.
Nueva simulación Sugiere que la materia natural se separó mucho antes de lo que se pensaba.
Cuando se expone a choques, perturbaciones y efectos de fricción, la materia normal va por detrás de la materia oscura. Incluso temprano.
Dos simulaciones de la colisión de cúmulos de galaxias, que muestran la materia normal y la materia oscura en diferentes colores. La simulación de la izquierda, de 2007, indica velocidades de colisión masivas. Una simulación más reciente, de 2024 (derecha), muestra aproximadamente la mitad de la velocidad, al tiempo que reproduce las mismas firmas de choque observadas.
El vértice sobre la naturaleza de MACS J0018.5+1626 revela las velocidades tanto de la materia ordinaria como de la materia oscura.
Aunque MACS J0018.5 es excepcionalmente rápido para un par de cúmulos en colisión, sigue siendo mucho más lento que las estimaciones anteriores de la velocidad de cúmulos como este, como el Bullet. Con las bajas velocidades relativistas necesarias para producir estas características observadas en los rayos X (y la radio), nuestro enigma cosmológico de consenso ya ha sido resuelto.
Las velocidades de colisión lentas, así como los efectos globales del gas, son consistentes con la cosmología ΛCDM.
Esta animación muestra la evolución simulada del medio dentro del cúmulo y el desacoplamiento de las velocidades de la materia oscura entre sí, junto con la densidad aparente, las densidades del gas y la temperatura del gas. El ángulo cambiante muestra cómo los dipolos de la materia oscura y las velocidades del gas no coinciden durante el proceso de colisión.
Mostly Mute Monday cuenta una historia astronómica a través de imágenes, elementos visuales y en no más de 200 palabras.
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