El cúmulo Phoenix, SPT-CLJ2344-4243.

Una nueva perspectiva sobre un cúmulo extraordinario de galaxias.

Imagen compuesta del cúmulo Phoenix formada por rayos X y luz visible.

Los cúmulos de galaxias a menudo son descritos por superlativos. Después de todo, son enormes conglomerados de galaxias, gas caliente y materia oscura y representan las estructuras más grandes del Universo mantenidas juntas por la gravedad.

Telescopio  Magellan  en  el  Observatorio  de  Las  Campanas.
Atacama, Chile.

Los cúmulos de galaxias tienden a ser pobres para producir nuevas estrellas en sus centros. Generalmente tienen una galaxia gigante en su centro que forma estrellas a un ritmo significativamente más lento que la mayoría de las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea. La galaxia central contiene un agujero negro supermasivo aproximadamente mil veces más masivo que el que está en el centro de nuestra galaxia. Sin calentamiento por los arrebatos de este agujero negro, las grandes cantidades de gas caliente que se encuentran en la galaxia central deberían enfriarse, permitiendo que las estrellas se formen a un ritmo alto. Se cree que el agujero negro central actúa como un termostato, lo que impide el enfriamiento rápido del gas caliente circundante e impide la formación de estrellas.

Los nuevos datos proporcionan más detalles sobre cómo el cúmulo de galaxias SPT-CLJ2344-4243, apodado el Cúmulo de Phoenix para la constelación en la que se encuentra, desafía esta tendencia. El cúmulo ha hecho añicos múltiples registros en el pasado: en 2012, los científicos anunciaron que el cúmulo de Phoenix presentaba la mayor tasa de enfriamiento de gas caliente y formación estelar jamás vista en el centro de un cúmulo de galaxias, y es el productor más poderoso de rayos X de todos los cúmulos conocidos. La velocidad a la cual el gas caliente se está enfriando en el centro del cúmulo es también la más grande jamás observada.

Imagen compuesta del cúmulo Phoenix en longitudes
de radio y luz visible.

Nuevas observaciones de este cúmulo de galaxias en rayos X, ultravioleta y longitudes de onda ópticas por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, el Telescopio Espacial Hubble y el telescopio Clay-Magellan ubicado en Chile, están ayudando a los astrónomos a comprender mejor este notable objeto. Los datos ópticos de Clay-Magellan revelan filamentos estrechos desde el centro del cúmulo en el que se forman las estrellas. Estos enormes hilos cósmicos de gas y polvo, la mayoría de los cuales nunca se habían detectado antes, se extienden por 160.000 a 330.000 años luz. Esto es más largo que toda la amplitud de la Vía Láctea, lo que los convierte en los filamentos más extensos jamás vistos en un cúmulo de galaxias.

Estos filamentos rodean grandes cavidades (regiones con emisión de rayos X muy reducida) en el gas caliente. Las cavidades de rayos X se pueden ver en la imagen compuesta de la entrada que muestra los datos de rayos X de Chandra en datos azules y ópticos del Telescopio Espacial Hubble (rojo, verde y azul).  Los astrónomos piensan que las cavidades de rayos X se formaron a partir del gas circundante mediante poderosos chorros de partículas de alta energía que emanaban de un agujero negro supermasivo en la galaxia central del cúmulo. A medida que la materia gira hacia un agujero negro, se libera una enorme cantidad de energía gravitacional. Las observaciones combinadas de radio y rayos X de los agujeros negros supermasivos en otros cúmulos de galaxias han demostrado que una fracción significativa de esta energía se libera como chorros de explosiones que pueden durar millones de años. El tamaño observado de las cavidades de rayos X indica que el estallido que produjo las cavidades en SPT-CLJ2344-4243 fue uno de los eventos más energéticos jamás registrados.

El telescopio espacial de rayos X Chandra de la NASA.

Sin embargo, el agujero negro central en el cúmulo de Phoenix está sufriendo de una crisis de identidad, compartiendo propiedades con cuásares, objetos muy brillantes impulsados ​​por material que cae sobre un agujero negro supermasivo, y radio galaxias que contienen chorros de partículas energéticas que brillan en las ondas de radio y también son alimentados por agujeros negros gigantes. La mitad de la producción de energía de este agujero negro proviene de chorros que presionan mecánicamente el gas circundante (modo de radio) y la otra mitad de radiación óptica, UV y X que se origina en un disco de acreción (modo cuasar). Los astrónomos sugieren que el agujero negro puede estar en el proceso de voltear entre estos dos estados.

Las cavidades de rayos X ubicadas más lejos del centro del cúmulo proporcionan evidencia de fuertes estallidos del agujero negro central hace unos cien millones de años (descuidando el tiempo de viaje de la luz al cúmulo). Esto implica que el agujero negro pudo haber estado en modo radio, con explosiones, hace unos cien millones de años, luego cambió a un modo cuasar, y luego cambió nuevamente a un modo de radio.

El telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA.

Se cree que puede haber un enfriamiento rápido entre estos estallidos, desencadenando la formación de estrellas en grupos y filamentos en toda la galaxia central a un ritmo de aproximadamente 610 masas solares por año. En comparación, solo se forman un par de estrellas nuevas cada año en nuestra Vía Láctea. Las propiedades extremas del sistema de cúmulo Phoenix proporcionan nuevos conocimientos sobre diversos problemas astrofísicos, incluida la formación de estrellas, el crecimiento de galaxias y agujeros negros, y la coevolución de los agujeros negros y su entorno.

Un artículo que describe estos resultados, dirigido por Michael McDonald (Instituto de Tecnología de Massachusetts), ha sido aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal y está disponible en línea. El Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, administra el programa Chandra para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico Smithsonian de Cambridge, Massachusetts, controla la ciencia y las operaciones de vuelo de Chandra.

Crédito:

Rayos X: NASA / CXC / MIT / M.McDonald et al; 

Óptico: NASA / STScI; 

Radio: TIFR / GMRT

• Publicado en Chandra 30 de septiembre de 2015