El JWST detecta un antiguo cúmulo de galaxias en el mediodía cósmico que desafía la cosmología
Imagen destacada: Imagen NIRCam del JWST de XLSSC 122 que muestra arcos con lente gravitacional alrededor de la galaxia más brillante del cúmulo. [Crédito: Finner et al. / NASA / ESA / CSA]
El telescopio espacial James Webb ha observado uno de los cúmulos de galaxias más antiguos conocidos del universo, en una época en que el cosmos apenas comenzaba su mediana edad, y lo que encontró tiene a los astrónomos repensando cómo se forman las estructuras en el universo. Designado XLSSC 122, el cúmulo se encuentra a un corrimiento al rojo de 1,98, lo que significa que su luz ha viajado aproximadamente 10.400 millones de años para llegar a la Tierra. El universo tenía solo 3.400 millones de años cuando la luz que vemos hoy abandonó esta gigantesca agrupación de galaxias.
Los hallazgos, publicados en tres artículos complementarios en The Astrophysical Journal Letters y presentados en la 248.ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense el 17 de junio, revelan un cúmulo mucho más maduro y concentrado de lo que predicen los modelos cosmológicos estándar. La concentración de materia oscura central medida dentro de 100 kiloparsecs, determinada mediante lente gravitacional fuerte de galaxias de fondo, es tan alta que se desvía de casi todas las relaciones masa-concentración principales con una significación de 3 a 8 desviaciones estándar.
«Nos quedamos atónitos cuando vimos esas primeras imágenes», dijo Kyle Finner de IPAC/Caltech, autor principal del artículo sobre lente fuerte. «Dijimos: ‘guau, mira esto, ¡hay lente fuerte proveniente de este cúmulo!’ y rápidamente quedó claro que estábamos viendo algo que los modelos no explican fácilmente.»
Una estructura madura en un universo joven
XLSSC 122 fue descubierto por primera vez en 2014 por el observatorio de rayos X XMM-Newton de la ESA como parte del XMM-Newton Large-Scale Structure Survey. Pero fueron la sensibilidad infrarroja y la alta resolución del JWST las que revelaron su verdadera naturaleza. El 10 de agosto de 2024, el instrumento NIRCam del JWST observó el cúmulo a través de cuatro filtros alcanzando una profundidad de 5 sigma de magnitud AB 29-30, penetrando el polvo cósmico para resolver la intrincada estructura del cúmulo.
Lo que surgió fue el cúmulo de galaxias más distante conocido que exhibe lente gravitacional fuerte, cuatro sistemas de arcos gigantes envueltos alrededor de la galaxia más brillante del cúmulo, rompiendo el récord anterior en manos de IDCS J1426.5+3508 a un corrimiento al rojo de 1,75.
«Ya sabíamos que XLSSC 122 existía por los datos de rayos X, pero no sabíamos que fuera tan masivo y tan concentrado», dijo Finner. «El JWST abrió una nueva ventana. Antes de Webb, no podíamos hacer este nivel de ciencia en el universo temprano y distante.»
El parámetro de concentración NFW del halo de materia oscura del cúmulo se midió en c = 6,3 ± 0,5 dentro de los 100 kiloparsecs internos. En comparación con cinco relaciones masa-concentración estándar, solo una, Prada et al. 2012, predice un valor más alto. Las demás subestiman la concentración entre 2,8 y 8,2 desviaciones estándar.
La conexión de la materia oscura
La lente gravitacional fuerte es una de las herramientas más poderosas para medir la materia oscura, porque la distorsión de la luz de las galaxias de fondo traza la distribución total de masa, incluido el componente invisible de materia oscura.
«La lente fuerte es una forma de medir la materia oscura sin ver realmente la materia oscura», explicó Finner. «Nos da una sonda sensible de nuestros modelos cosmológicos.»
Las observaciones del JWST sondearon el cúmulo mediante tres métodos independientes: lente gravitacional fuerte de galaxias de fondo para medir la distribución de masa del núcleo; lente gravitacional débil de galaxias más distantes para trazar el halo exterior; y la detección de luz intracúmulo, estrellas flotantes libres no ligadas a ninguna galaxia individual, cuya forma traza la distribución de materia oscura.
La detección de luz intracúmulo, reportada en un artículo complementario dirigido por Hyungjin Joo, es la detección más temprana de este tipo jamás realizada. Revela que el cúmulo está experimentando activamente una fusión, confirmada independientemente por análisis de lente débil y datos de rayos X y radio, añadiendo más complejidad al panorama.
No solo un cúmulo, una prueba de la física fundamental
El descubrimiento tiene implicaciones más allá de la astrofísica de cúmulos. Si el JWST continúa encontrando cúmulos igualmente maduros en épocas tempranas, el modelo Lambda-CDM estándar de formación jerárquica de estructuras, en el que las estructuras masivas se ensamblan lentamente a lo largo del tiempo cósmico, podría necesitar una revisión significativa.
Una posibilidad es que XLSSC 122 se formó en un colapso inusualmente temprano, consistente con la evolución de tamaño acelerada ya observada en su población de galaxias quietas. Otra es que nuestra comprensión de cómo se comporta la materia oscura en entornos densos es incompleta. Una tercera opción, no descartada por los datos, es que una cosmología no estándar está en juego.
«Todavía es temprano en la era del JWST», dijo Finner. «Si podemos comenzar a obtener datos sobre decenas o cientos de estos tipos de objetos en esta etapa del universo, entonces realmente podremos comenzar a poner a prueba nuestros modelos cosmológicos.»
Los tres artículos complementarios se publican en The Astrophysical Journal Letters. Los datos de imágenes del JWST están disponibles públicamente en Zenodo.
Traducido por Alessandra