Descubriendo un depósito de materia cósmica

Título: Observations of the Missing Baryons in the Warm-Hot Intergalactic Medium

Autores: F. Nicastro, J. Kaastra, Y. Krongold, S. Borgani, E. Branchini, R. Cen, M. Dadina, C.W. Danforth, M. Elvis, F. Fiore, A. Gupta, S. Mathur, D. Mayya, F. Paerels, L. Piro, D. Rosa-Gonzalez, J. Schaye, J.M. Shull, J. Torres-Zafra, N. Wijers, L. Zappacosta

Institución del primer autor: Instituto Nazionale di Astrofisica (INAF), Osservatorio Astronomico di Roma, Rome, Italy & Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, MA, USA.

Estado: Publicado en Nature (2018). Acceso cerrado arXiv.

Astotrobites original: Uncovering a Cosmic Matter Reservoir por James Negus.

Cuando miras el cielo nocturno en una tarde despejada, toda la materia que observas es “bariónica’’. Esta clase de materia es principalmente compuesta de neutrones y protones, los bloques de construcción fundamentales de los átomos. De hecho, toda la materia visible en el universo que nos creó a ti y a mi es clasificada como materia bariónica. Sorprendentemente, este tipo de materia ‘normal’ solo representa el 5% de la masa y la energía del universo; lo demás existe en la forma de materia oscura (25%) y energía oscura (70%), que no son visibles en el espectro electromagnético.

Materia evasiva

La instrumentación en la Tierra y en el espacio deben ser efectivamente capaces de trazar la distribución espacial de la materia bariónica visible. Sin embargo, el número de bariones que han sido ópticamente observados dentro de las estructuras a gran escala del universo (esto es, nebulosas, cúmulos globulares y galaxias), ¡caen entre el 30% y 40% por debajo de lo que los modelos existentes predicen!

Para tener en cuenta esta discrepancia, varias simulaciones numéricas sugieren que los bariones faltantes pueden estas ocultos entre delgadas estructuras filamentarías de gas caliente que forman la red cósmica (Figura 1). Aquí, la temperatura del gas característico fluctúa entre 100 mil a 10 millones de Kelvin, lo cual resulta en la ionización del hidrógeno, el elemento más abundante dentro de estas estructuras. Una vez ionizado, los átomos de hidrógeno no pueden producir las características espectrales necesarias para su detección en longitudes de onda visible ya que han sido despojados de su único electrón. Junto con la densidad inherentemente baja de estas regiones, los bariones son efectivamente invisibles.

Observaciones en rayos X

Para atacar este desafío los autores del artículo de hoy trabajaron para descubrir la localización de un deposito evasivo de materia bariónica. Usaron observaciones de rayos X, los cuales son ideales para estudiar entornos altamente energéticos debido a su  sensibilidad a longitudes de onda corta (0.01 – 10 nanómetros). Utilizando el telescopio espacial de rayos XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea, realizaron alrededor de 20 días de observaciones de un blazar. Estos agujeros negros supermasivos generan chorros energéticos de materia ionizada que está orientada hacia la Tierra y pueden acercarse a la velocidad de la luz. La observación del objeto estudiado en el artículo (1ES 1553+113) es la observación hasta ahora más larga realizada sobre un objeto único usando el espectrómetro del telescopio, permitiendo a los investigadores lograr mediciones sin precedentes y de alta resolución .

La dinámica observada del propio blazar no fue lo que sorprendió a los científicos; más bien la materia interfiriendo entre 1ES 1553+113 y la Tierra fue la fuente de intriga. Los espectros del blazar revelaron la presencia de oxígeno altamente ionizado (OVII; Figura 2) a lo largo de las regiones externas del objeto, en un área conocida como el medio intrgaláctico tibio-caliente (WHIM, por sus siglas en inglés de ‘Warm-Hot Intergalactic Medium’).

Los autores explican que la fuente de enriquecido metal ionizado (como O VII) en el WHIM viene de las poderosas salidas de materia del blazar. ¡Los chorros esencialmente iluminan la estructura de los bariones escondidos que son indetectables en longitudes de onda visible!

Estos resultados ofrecen fuerte evidencia que apoya a los modelos numéricos que proponen que los bariones residen en delgadas estructuras de gas del WHIM.

Aprovechando futuros instrumentos

Sin embargo, para confirmar sus hallazgos, más análisis se requiere. Para ese objetivo, el muestreo de bariones en el universo caliente (HUBS, por sus siglas en inglés ‘Hot Universe Baryon Surveyor’) y el telescopio avanzado para altas energías en astrofísica serán vitales. Estos instrumentos tomarán mediciones en rayos X con mucha más alta sensibilidad que el XMM-Newton y permitirán a los investigadores un mejor mapeo completo de la distribución de los bariones.

En última instancia, las observaciones realizadas por los autores ofrecen algo muy emocionante a la comunidad astrofísica: ¡son una pista para resolver la fuente de la falta de bariones en el universo!