El XMM-Newton encuentra el material galáctico "desaparecido".

Recontando el material del universo.
Imagen con anotaciones.

Publicado el 20 de junio del 2.018.

Impresión artística del medio intergaláctico cálido, una mezcla de gas con temperaturas que van desde cientos de miles de grados (cálidos) hasta millones de grados (calientes) que impregnaban el Universo en una red cósmica filamentosa.

Después de dos décadas de observaciones, los astrónomos que utilizan el observatorio espacial XMM-Newton de la ESA (representado en la esquina inferior derecha) han detectado el componente caliente de este material intergaláctico, cerrando la brecha en el presupuesto general de la materia "normal" en el cosmos.

El descubrimiento se realizó utilizando observaciones de un cuásar distante, una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en su centro que devora activamente la materia y brilla intensamente desde los rayos X hasta las ondas de radio (que se muestran en la esquina superior izquierda). Los astrónomos observaron este cuásar, cuya luz tarda más de cuatro mil millones de años en llegar a nosotros, por un total de 18 días, divididos entre 2015 y 2017, en la observación de rayos X más larga jamás realizada de tal fuente.

Después de analizar los datos, el equipo encontró la señal de oxígeno en el gas intergaláctico caliente entre el observatorio y el cuásar distante, en dos lugares diferentes a lo largo de la línea de visión (se muestra en el espectro en la parte inferior izquierda).

Las dos concentraciones de gas intergaláctico corresponden al desplazamiento al rojo z = 0.43 (indicado con flechas verdes) y z = 0.35 (indicado con una flecha magenta); las características en el espectro indicado con flechas azules representan firmas de nitrógeno en nuestra Vía Láctea.

Copyright Ilustraciones y composición: ESA / ATG medialab; datos: ESA / XMM-Newton / F. Nicastro et al. 2018; simulación cosmológica: R. Cen

Artículo completo.
Impresión artística del observatorio espacial de rayos X XMM-Newton de la ESA.
Crédito: ESA.
Tras casi veinte años de búsqueda, un grupo de astrónomos ha encontrado, gracias al observatorio espacial XMM-Newton de la ESA, signos claros del gas caliente y difuso que permea el cosmos, llenado así el misterioso vacío que presentaba el recuento total de materia ‘normal’ en el Universo.  

Mientras que la materia oscura constituye el 25 % y la energía oscura aproximadamente el 70 % del cosmos, la materia común, que conforma todo lo que vemos (de las estrellas y las galaxias a los planetas y las personas), apenas supone el 5 %. 

E incluso este 5 % resulta bastante difícil de localizar. 

La cantidad total de materia común, que los astrónomos denominan bariones, puede calcularse a partir de observaciones de la radiación cósmica de fondo, la luz más antigua en la historia del Universo, que se remonta a tan solo 380.000 años tras el Big Bang. 

Las observaciones de galaxias muy lejanas permiten a los astrónomos seguir la evolución de esta materia a lo largo de los primeros miles de millones de años del Universo. Después, en cambio, parece que más de la mitad haya desaparecido. 

“Los bariones perdidos son uno de los mayores misterios de la astrofísica moderna”, explica Fabrizio Nicastro, autor principal de un artículo que propone una solución a este misterio, publicado hoy en Nature. 

“Sabemos que esta materia ha de estar ahí, la vemos en el Universo temprano, pero no conseguimos localizarla. ¿A dónde ha ido?” 

Si sumamos al censo de estrellas de las galaxias a lo largo del Universo el gas interestelar que abunda en las galaxias (la materia prima a partir de la cual se forman las estrellas), apenas obtenemos un 10 % de toda la materia común. Incluso añadiendo el gas caliente y difuso en los halos que rodean las galaxias y el gas aún más caliente de los cúmulos estelares, que son las mayores estructuras cósmicas unidas por efecto de la gravedad, seguimos sin alcanzar el 20 %. 

Esto no es sorprendente; las estrellas, las galaxias y los cúmulos de galaxias se forman en los nodos más densos de la red cósmica, la distribución mediante filamentos de la materia oscura y la materia ordinaria a través del Universo. Estos lugares son densos, pero también poco comunes, por lo que no resultan idóneos para buscar en ellos la mayor parte de la materia cósmica. 

Los astrónomos sospechaban que los bariones desaparecidos debían estar ocultos en los omnipresentes filamentos de la red cósmica, donde la materia es menos densa y, por lo tanto, más difícil de observar. Gracias al uso de distintas técnicas, con los años lograron localizar buena parte de este material intergaláctico (principalmente sus componentes calientes y fríos), por lo que la suma ahora asciende a un respetable 60 %, aunque el misterio sigue sin acabar de resolverse.

El presupuesto cósmico de la materia 'ordinaria'.
Recuento de la materia ordinaria que hay en el universo.

Publicado el 20/06/2018.

Mientras que la misteriosa materia oscura y la energía oscura constituyen aproximadamente el 25 y el 70 por ciento de nuestro cosmos, respectivamente, la materia común que compone todo lo que vemos, desde estrellas y galaxias hasta planetas y personas, equivale a solo un cinco por ciento.

Sin embargo, las estrellas en galaxias en todo el Universo solo representan el siete por ciento de toda la materia ordinaria. El gas interestelar frío que impregna las galaxias, la materia prima para crear estrellas, equivale a aproximadamente el 1,8 por ciento del total, mientras que el gas difuso y caliente en los halos que abarcan las galaxias representa aproximadamente el cinco por ciento y el gas aún más caliente que llena los cúmulos de galaxias, las estructuras cósmicas más grandes unidas por la gravedad, representan el cuatro por ciento.

Esto no es sorprendente: estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias se forman en los nudos más densos de la red cósmica, la distribución filamentaria de la materia oscura y ordinaria que se extiende por todo el Universo. Si bien estos sitios son densos, también son raros, por lo que no son los mejores lugares para buscar la mayoría de la materia cósmica.

La mayor parte de la materia ordinaria del universo, o bariones, debe estar al acecho en los omnipresentes filamentos de esta red cósmica, donde la materia es, sin embargo, menos densa y, por lo tanto, más difícil de observar. Utilizando diferentes técnicas a lo largo de los años, pudieron localizar una buena porción de este material intergaláctico, principalmente su componente frío (también conocido como bosque Lyman-alfa, que representa aproximadamente el 28 por ciento de todos los bariones) y su componente cálido (aproximadamente el 15 por ciento).

Después de dos décadas de observaciones, los astrónomos que utilizan el observatorio espacial XMM-Newton de la ESA han detectado el componente caliente de este material intergaláctico a lo largo de la línea de visión hacia un cuásar distante. La cantidad de gas intergaláctico caliente detectado en estas observaciones representa hasta el 40 por ciento de todos los bariones en el Universo, cerrando la brecha en el presupuesto general de la materia ordinaria en el cosmos.

Crédito: ESA

Fabrizio y muchos otros astrónomos llevan casi dos décadas a la caza de los bariones restantes, desde que observatorios de rayos X como XMM-Newton de la ESA y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica. 

Al observar esta sección del espectro electromagnético, pueden detectar el gas intergaláctico caliente, con temperaturas de un millón de grados o más, que bloquea los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.  

En su proyecto, Fabrizio y sus colaboradores emplearon XMM-Newton para observar un cuásar: una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en el centro, que devora materia activamente y muestra un fuerte brillo desde los rayos X hasta las ondas de radio. La observación de este cuásar, cuya luz tarda más de cuatro mil millones de años en llegar a nosotros, se prolongó un total de 18 días, repartidos entre 2015 y 2017, durante la mayor observación de rayos X de una fuente de este tipo jamás llevada a cabo. 

“Tras cribar los datos, logramos hallar el marcador de oxígeno en el gas intergaláctico caliente entre nosotros y el cuásar, en dos puntos distintos a lo largo de la línea de visión”, explica Fabrizio. 

“Esto sucede porque ahí hay grandes depósitos de material, incluido oxígeno, en la cantidad esperada, por lo que finalmente podemos cubrir el vacío existente en el balance de bariones del Universo”. 

Este extraordinario resultado marca el comienzo de una nueva aventura. Hacen falta observaciones de distintas fuentes en el firmamento para confirmar si estos hallazgos son realmente universales y para seguir investigando el estado físico de esta materia tan buscada.

Fabrizio y sus colegas tienen previsto estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra durante los próximos años. No obstante, para explorar a fondo la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico templado-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena) de la ESA, cuyo lanzamiento está previsto para 2028. 

“El descubrimiento con XMM-Newton de los bariones perdidos constituye un fascinante primer paso hacia la caracterización plena de las circunstancias y las estructuras en que se hallan estos bariones”, apunta Jelle Kaastra, del Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos (SRON), y coautor del estudio. 

“Para continuar avanzando, necesitaremos la sensibilidad mucho mayor de Athena, uno de cuyos principales objetivos es estudiar el medio intergaláctico templado-caliente, para mejorar nuestra comprensión del crecimiento de las estructuras en la historia del universo”. 

“Nos llena de orgullo ver que XMM-Newton ha sido capaz de descubrir las débiles señales de este material tan esquivo, oculto en una neblina a un millón de grados que se extiende por el espacio intergaláctico a lo largo de cientos de miles de años luz”, añade Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton en la ESA. 

“Ahora que sabemos que esos bariones ya no están perdidos, estamos deseando poder estudiarlos con más detalle”.

Notas para los editores.
El artículo “Observations of the missing baryons in the warm–hot intergalactic medium”, de F. Nicastro et al., está publicado en Nature. DOI: 10.1038/s41586-018-0204-1

Racimos de galaxias en la red cósmica.
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• Publicado el 12/02/2015.

Cuatro cúmulos de galaxias incrustadas en la red cósmica, la tenue red de materia oscura y bariónica que se cree que impregna el Universo. Esta imagen fue extraída de una simulación numérica de la formación y evolución de la estructura cósmica.

Cuatro cúmulos de galaxias muy masivas son visibles donde la concentración de galaxias (que se muestra en blanco y morado) es más alta. Dos de los conglomerados, en la esquina inferior izquierda de la imagen, se encuentran en las primeras fases de un proceso de fusión; los otros dos grupos se pueden ver en la parte central de la imagen, justo encima del centro. La estructura filamentosa formada por los cuatro conglomerados se extiende hacia el lado derecho de la imagen, donde se pueden ver varios sistemas menos masivos.

Los cúmulos de galaxias se forman en los nudos más densos de la red cósmica, donde los filamentos se cruzan. La densidad del gas en los filamentos que unen los conglomerados se representa con diferentes colores, con marrón oscuro que indica regiones menos densas y colores más brillantes (de naranja a amarillo y verde) que indican regiones cada vez más densas.

La imagen muestra una porción de la red cósmica que abarca aproximadamente 260 millones de años luz de diámetro.

Imagen de copyright cortesía de K. Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität München, Alemania.

Contacto para más información: 

Fabrizio Nicastro
Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)
Osservatorio Astronomico di Roma, Italy
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
Cambridge, MA, USA
Correo electrónico: fabrizio.nicastro@oa-roma.inaf.it 

Jelle S. Kaastra
SRON – Netherlands Institute for Space Research
Utrecht, The Netherlands
Correo electrónico: J.S.Kaastra@sron.nl

Norbert Schartel
XMM-Newton Project Scientist
European Space Agency
Correo electrónico: norbert.schartel@esa.int

Markus Bauer
ESA Science Communication Officer
Teléfono: +31 71 565 6799
Móvil: +31 61 594 3 954
Correo electrónico: markus.bauer@esa.int

• Artículo completo publicado en ESA el 21 de junio del 2.018.