Grupos y cúmulos de galaxias

MACS J0152.5-2852 es un grupo de galaxias masivo. Casi cada pixel visto en la imagen es una galaxia, cada una conteniendo miles de millones de estrellas.

Los grupos y cúmulos de galaxias son los objetos unidos gravitacionalmente más grandes que se conocen que han surgido hasta ahora en el proceso de formación de la estructura cósmica. Forman la parte más densa de la estructura a gran escala del Universo. En los modelos para la formación gravitatoria de estructuras con materia oscura fría, las estructuras más pequeñas colapsan primero y eventualmente construyen las estructuras más grandes, cúmulos de galaxias. Entonces, los cúmulos se forman hace relativamente poco tiempo, entre hace 10 000 millones de años y ahora. Los grupos y cúmulos pueden contener de diez a miles de galaxias individuales. Los cúmulos en sí mismos a menudo se asocian con grupos más grandes, no ligados gravitacionalmente, llamados supercúmulos.

Grupos de galaxias

Mapa de las posiciones de miles de galaxias en la encuesta VIPERS

Los grupos de galaxias son los agregados más pequeños de galaxias. Por lo general, no contienen más de 50 galaxias en un diámetro de 1 a 2 megaparsecs (Mpc) (ver 1022 m para comparaciones de distancia). Su masa es de aproximadamente 10¹³ masas solares. La dispersión de velocidades de las galaxias individuales es de unos 150 km/s. Sin embargo, esta definición debe usarse solo como una guía, ya que los sistemas de galaxias más grandes y masivos a veces se clasifican como grupos de galaxias. Los grupos son las estructuras más comunes de galaxias en el universo y comprenden al menos el 50% de las galaxias en el universo local. Los grupos tienen un rango de masas entre los de las galaxias elípticas muy grandes y los cúmulos de galaxias.

Nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, está contenida en el Grupo Local de más de 54 galaxias.

En julio de 2017, S. Paul, R. S. John et al. definió parámetros distintivos claros para clasificar las agregaciones de galaxias como "grupos de galaxias" y "cúmulos" sobre la base de las leyes de escala que siguieron. Según este artículo, las agregaciones de galaxias con una masa inferior a 8 × 10¹³ solares se clasifican como grupos de galaxias.

Cúmulos de galaxias

La dispersión rica de galaxias fue capturada por el telescopio MPG/ESO.

Los clústeres son más grandes que los grupos, aunque no existe una línea divisoria clara entre los dos. Cuando se observan visualmente, los cúmulos parecen ser colecciones de galaxias unidas por atracción gravitatoria mutua. Sin embargo, sus velocidades son demasiado grandes para que permanezcan unidos gravitacionalmente por sus atracciones mutuas, lo que implica la presencia de un componente de masa invisible adicional o una fuerza de atracción adicional además de la gravedad. Los estudios de rayos X han revelado la presencia de grandes cantidades de gas intergaláctico conocido como medio intracúmulo. Este gas es muy caliente, entre 10⁷K y 10⁸K, y por lo tanto emite rayos X en forma de bremsstrahlung y emisión de línea atómica.

Grupo Galaxy ACO 3341 visto por VIMOS de VLT

La masa total del gas es mayor que la de las galaxias por aproximadamente un factor de dos. Sin embargo, esto todavía no es suficiente masa para mantener las galaxias en el cúmulo. Dado que este gas está en equilibrio hidrostático aproximado con el campo gravitatorio general del cúmulo, se puede determinar la distribución de masa total. Resulta que la masa total deducida de esta medida es aproximadamente seis veces mayor que la masa de las galaxias o el gas caliente. El componente faltante se conoce como materia oscura y se desconoce su naturaleza. En un cúmulo típico, tal vez solo el 5% de la masa total está en forma de galaxias, tal vez el 10% en forma de gas caliente que emite rayos X y el resto es materia oscura. Brownstein y Moffat utilizan una teoría de la gravedad modificada para explicar las masas de los cúmulos de rayos X sin la materia oscura. Las observaciones del Bullet Cluster son la evidencia más fuerte de la existencia de materia oscura; sin embargo, Brownstein y Moffat han demostrado que su teoría de la gravedad modificada también puede explicar las propiedades del cúmulo.

Métodos de observación

Galaxy Cluster LCDCS-0829 actuando como una gran lupa. Este extraño efecto se llama lente gravitacional.

Se han encontrado cúmulos de galaxias en estudios mediante una serie de técnicas de observación y se han estudiado en detalle utilizando muchos métodos:

• Óptica o infrarroja: Las galaxias individuales de los racimos se pueden estudiar a través de imágenes ópticas o infrarrojas y espectroscopia. Los cúmulos Galaxy son encontrados por telescopios ópticos o infrarrojos buscando densidades excesivas, y luego confirmados por encontrar varias galaxias en un redshift similar. Las búsquedas infrarrojas son más útiles para encontrar racimos más distantes (más altos).
• Radiografía: El plasma caliente emite rayos X que pueden ser detectados por los telescopios de rayos X. El gas de cúmulo se puede estudiar utilizando imágenes de rayos X y espectroscopia de rayos X. Los racimos son muy prominentes en encuestas de rayos X y junto con AGN son los objetos extragalácticos más brillantes que emiten rayos X.
• Radio: En racimos se han encontrado varias estructuras difusas que emiten frecuencias radiofónicas. Groups of radio sources (that may include diffuse structures or AGN) have been used as tracers of cluster location. En la imagen de alta redshift alrededor de las fuentes de radio individuales (en este caso AGN) se ha utilizado para detectar proto-clusters (grupos en el proceso de formación).
• Sunyaev-Zel'dovich efecto: Los electrones calientes en el medio intracluster dispersa radiación del fondo cósmico de microondas a través de la dispersión inversa Compton. Esto produce un "shadow" en el fondo de microondas cósmico observado en algunas frecuencias de radio.
• Lente gravitacional: Los racimos de galaxias contienen suficiente materia para distorsionar las orientaciones observadas de galaxias detrás de ellas. Las distorsiones observadas se pueden utilizar para modelar la distribución de materia oscura en el cluster.

Temperatura y densidad

La galaxia más inquietante madura Grupo con el Telescopio Muy Grande de ESO en Chile y con el Telescopio Subaru de NAOJ en Hawaii

Los cúmulos de galaxias son los objetos más recientes y masivos que han surgido en la formación de la estructura jerárquica del Universo y el estudio de los cúmulos nos informa sobre la forma en que se forman y evolucionan las galaxias. Los cúmulos tienen dos propiedades importantes: sus masas son lo suficientemente grandes como para retener cualquier gas energético expulsado por las galaxias miembros y la energía térmica del gas dentro del cúmulo es observable dentro del paso de banda de rayos X. El estado observado del gas dentro de un cúmulo está determinado por una combinación de calentamiento de choque durante la acreción, enfriamiento radiativo y retroalimentación térmica provocada por ese enfriamiento. La densidad, la temperatura y la subestructura del gas de rayos X dentro del cúmulo representan, por lo tanto, la historia térmica completa de la formación del cúmulo. Para comprender mejor esta historia térmica, es necesario estudiar la entropía del gas porque la entropía es la cantidad que cambia más directamente al aumentar o disminuir la energía térmica del gas intracúmulo.

Lista de grupos y clústeres