Cuando las galaxias se agrupan en cúmulos, el espacio que queda entre ellas, más vacío que cualquier vacío creado por los ingenieros, se llena de gas: no de hidrógeno frío, sino de plasma calentado a decenas de millones de grados. Los astrónomos llaman a esto medio intracúmulo, o ICM, y lo han estudiado durante décadas en cúmulos maduros lo bastante cercanos como para examinarlos en detalle. Cómo se formó por primera vez esa vasta e invisible atmósfera seguía siendo en gran parte una incógnita. Un nuevo estudio publicado en Astronomy & Astrophysics cambia esa situación.
Con 180 horas de observaciones del Observatorio de Rayos X Chandra, un equipo dirigido por Andrea Travascio, del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) de Italia, ha detectado directamente el nacimiento del medio intracúmulo en un protocúmulo llamado MQN01, visto tal como era apenas 2.100 millones de años después del Big Bang. El hallazgo es la observación directa más temprana de la formación de una atmósfera de cúmulo en el universo joven.
Un cuásar en una guardería abarrotada
MQN01 es un protocúmulo, una agrupación densa de galaxias en proceso de ensamblarse en una de las grandes estructuras del universo moderno. En su centro se encuentra un cuásar hiperluminoso, un agujero negro supermasivo que consume vigorosamente la materia circundante y libera energía en todo el espectro electromagnético. El cuásar es silencioso en radio, pues carece de los potentes chorros relativistas que brotan de los polos de muchos agujeros negros activos. Ese detalle importa: los chorros pueden calentar y remodelar el gas circundante de maneras que contaminan la señal que los astrónomos intentan aislar.
Travascio y su colaborador Sebastiano Cantalupo, de la Universidad de Milán-Bicocca, adaptaron técnicas desarrolladas originalmente para estudiar el gas caliente alrededor de las galaxias Seyfert, galaxias activas con núcleos brillantes, para atravesar el resplandor del cuásar y detectar la débil y difusa emisión de rayos X del gas circundante. La señal era real, pero sutil: 66 conteos netos de fotones de rayos X con una significancia estadística de 8 sigma, lo que significa que la probabilidad de una fluctuación aleatoria es prácticamente nula. La emisión se extiende unos 30 kiloparsecs (aproximadamente 98.000 años luz) desde el cuásar y traza un reservorio de plasma caliente nunca antes visto en una época tan temprana.
La primera bocanada de un cúmulo
El gas está caliente. Su temperatura, medida a partir del espectro de rayos X que emite, corresponde a kT = 1,8 ± 0,4 kiloelectronvoltios, equivalente a aproximadamente 20 millones de kelvin. El núcleo del Sol tiene unos 15 millones de kelvin, así que esta atmósfera difusa es más caliente que el motor que impulsa a nuestra estrella más cercana.
Lo más llamativo es la masa y la densidad del gas. El equipo calculó que el reservorio de gas caliente en MQN01 contiene aproximadamente 2,6 billones de masas solares, una cantidad comparable a la masa total de gas caliente de algunos cúmulos de galaxias ya formados en el universo local, y no está distribuido de forma tenue: las densidades son de 1 a 2 órdenes de magnitud superiores a las de los cúmulos actuales. MQN01 es de 3 a 10 veces más brillante en rayos X y 4,3 veces más denso que el protocúmulo Spiderweb, otro sistema bien estudiado a un corrimiento al rojo similar. La joven atmósfera está concentrada, todavía asentándose y expandiéndose.
Esta es la primera observación directa de la formación del medio intracúmulo. En cúmulos maduros como el Cúmulo de Coma y el Cúmulo de Virgo, el ICM es un plasma asentado y bien mezclado que lleva miles de millones de años en su lugar, llenando el pozo de potencial gravitacional del cúmulo, emitiendo rayos X mediante radiación de frenado térmica (bremsstrahlung) y moldeando la evolución de las galaxias incrustadas en él. En MQN01, los astrónomos observan ese proceso en sus inicios, cuando la atmósfera caliente comienza a ensamblarse alrededor del motor central del protocúmulo.
El equilibrio de la precipitación
El descubrimiento también dice algo sobre el estado físico de este gas joven. El equipo examinó el cociente entre el tiempo de enfriamiento y el tiempo de caída libre, expresado como t_cool/t_ff, que describe si el gas caliente puede enfriarse y condensarse antes de caer hacia el centro gravitacional del sistema. Cuando el cociente se encuentra entre 1 y 10, un régimen conocido como límite de precipitación, el gas se vuelve térmicamente inestable. Parte de él se enfría, se condensa y cae de nuevo hacia el centro, lo que potencialmente alimenta la formación estelar y sigue abasteciendo al agujero negro central.
El gas caliente de MQN01 se encuentra justo en este régimen de precipitación, lo que sugiere un ciclo dinámico y autorregulado. El cuásar inyecta energía al gas circundante y mantiene gran parte de él caliente y boyante, mientras que bolsas de ese mismo gas se enfrían lo bastante rápido como para precipitarse hacia el interior, lo que proporciona materia prima para nuevas estrellas en las galaxias del protocúmulo y quizá para el propio cuásar. El nacimiento del medio intracúmulo no es un llenado pasivo del espacio vacío, sino un proceso activo y turbulento en el que el calentamiento y el enfriamiento compiten en escalas de tiempo de millones de años.
Una nueva ventana al universo joven
La detección fue posible únicamente gracias a las capacidades únicas de Chandra. En longitudes de onda de rayos X, el gas caliente brilla con una emisión térmica invisible para los telescopios ópticos e infrarrojos, y la aguda resolución espacial de Chandra permitió al equipo separar la cegadora emisión puntual del cuásar del tenue y extendido resplandor del gas circundante. La técnica, tomada de los estudios de galaxias Seyfert y afinada para las distancias mucho mayores de este objetivo, demuestra que incluso en el universo joven, donde las señales son débiles y los fondos son altos, el cielo difuso de rayos X puede mapearse en detalle.
Travascio y su equipo han abierto una ventana de observación directa hacia una época en la que los primeros cúmulos de galaxias apenas comenzaban a ensamblar sus atmósferas calientes. Futuras observaciones con Chandra y con observatorios de rayos X de nueva generación, como Athena, podrán aprovechar este resultado para apuntar a más protocúmulos y trazar cómo el medio intracúmulo crece desde una niebla densa y naciente alrededor de un cuásar brillante hasta las vastas y diluidas atmósferas que llenan las estructuras más grandes del universo.
Por ahora, MQN01 ofrece una instantánea de esa transición capturada en pleno proceso. A 2.100 millones de años del Big Bang, en un denso protocúmulo de 30 kiloparsecs de extensión, estaba naciendo la atmósfera de un futuro cúmulo de galaxias, brillando débilmente en rayos X y albergando las semillas de miles de galaxias aún por formarse. Chandra, observando desde su órbita alrededor de la Tierra, lo vio.
Traducido por Alessandra
Referencia
Travascio, A., Cantalupo, S., et al. 2026, Astronomy & Astrophysics, 711, A242. DOI: <a href=”https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557020″ target=”_blank”>10.1051/0004-6361/202557020</a> (Acceso abierto)