La marcha de las galaxias elípticas: pistas sobre el alineamiento primordial

Figura 1: MACS J0416-24, uno de los cúmulos estudiados en el presente trabajo. Fue clasificado como un cúmulo joven. “Color image of galaxy cluster MCS J0416.1–2403” by ESA/Hubble. Licensed under CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.

Una de las cosas que hemos aprendido durante las últimas décadas es que a las galaxias les gusta mucho sociabilizar. Esto es especialmente cierto para las galaxias elípticas rojas, que viven preferentemente en ambientes muy densos, tales como cúmulos de galaxias. Dentro de estos cúmulos existe una alta tasa de interacción gravitatoria entre todos sus miembros. Las galaxias más masivas le roban gas a las que poseen menos masa, y en casos extremos, la interacción es tan fuerte que las fuerzas de marea que se producen terminan desgarrando completamente a las galaxias más pequeñas. En los centros de los cúmulos es precisamente donde está la mayor concentración de galaxias y, en general, el potencial gravitatorio es mucho más fuerte en esta región: mucha materia se va acumulando producto de la gravedad, lo que da origen a una galaxia gigante que aumenta su masa con el paso del tiempo, literalmente “comiéndose” a las galaxias satélites más pequeñas y robándoles su gas, lo que produce grandes luminosidades en la región central del cúmulo. Este tipo de galaxias se conocen como galaxia más brillante del cúmulo o BCG, por sus siglas en inglés (no se esperaban un nombre tan ingenioso, ¿verdad?)

Figura 2: Panel izquierdo – Un histograma para θ, el ángulo entre el eje mayor de la BCG, y los ejes mayores de cada galaxia en el cúmulo. Panel derecho – La distribución cumulativa de probabilidad de θ (línea negra), comparada con una distribución uniforme, sin alineamientos preferidos (línea gris). Los grupos A y B corresponden a los cúmulos jóvenes y relajados, respectivamente. Figura 3 del artículo.

Conocer la alineación de los ejes de simetría de las galaxias dentro de un cúmulo nos permite obtener valiosa información acerca del ambiente gravitacional en el que ellas viven. Algunos estudios han mostrado indicios de que los semi-ejes mayores de galaxias elípticas rojas que viven en cúmulos relativamente jóvenes tienden a estar alineados con el semi-eje mayor de la BCG. Se cree que esto se debe a que, según el modelo jerárquico de formación de estructuras, los cúmulos de galaxias deberían formarse en los filamentos de la red cósmica, en aquellas zonas con una mayor densidad. A medida que pasa el tiempo, el potencial gravitatorio del cúmulo continúa acretando galaxias que provienen preferentemente en dirección de la estructura filamentaria, por lo cual, mientras estas galaxias aún no han tenido suficiente tiempo para realizar varias órbitas dentro del cúmulo, intercambiando energía entre ellas (en lenguaje astronómico, mientras el cúmulo no se relaje), éstas tenderán a conservar su inclinación inicial, que será más o menos similar a la de la BCG. Esto se conoce como alineamiento primordial o directo.

Figura 3: En el dibujo superior se muestran tres ángulos que describen el fenómeno estudiado por los autores. Θ es el ángulo entre el eje mayor de la BCG y el de una galaxia. φ es el ángulo entre el eje mayor de una galaxia, y la línea que une el centro del cúmulo con esa galaxia, mientras que ξ es el ángulo entre esta línea radial y el eje mayor de la BCG. Si las galaxias se posicionan en torno al eje mayor de la BCG, y además φ∼0, entonces parecería que hubiera alineamiento primordial, lo cual es ilustrado en el dibujo inferior. Figura 2 del artículo.

En este trabajo, los autores estudiaron ocho cúmulos de galaxias del Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble, a un redshift promedio de z ~ 0.375. Su objetivo es estudiar si dentro de este grupo, los cúmulos más jóvenes presentan signos de alineamiento primordial, para lo cual clasifican los cúmulos del grupo entre jóvenes y relajados mediante distintas herramientas, que incluyen fotometría de rayos X, la presencia definida de una galaxia central, rastros recientes de colisiones galácticas, o cualquier otro signo de interacción significativa entre miembros del cúmulo.

Los resultados revelan lo que ellos, con fervor, esperaban: para los cúmulos clasificados como jóvenes, las galaxias elípticas rojas muestran un alineamiento significativo de sus semi-ejes mayores con el de la BCG (un ejemplo de estos resultados se muestra en la Figura 2). Este alineamiento deja de ser significativo para aquellos cúmulos clasificados como relajados. Más aún, se encontró que el alineamiento se desvanece en ambos grupos para aquellas galaxias que viven en las regiones más interiores de los cúmulos. Una de las posibles explicaciones para este fenómeno es que, como comentamos anteriormente, las regiones centrales de los cúmulos son, en general, muy agitadas y violentas: la interacción, colisión y desgarramiento de galaxias es mucho más frecuente, lo cual contribuye a que la información del alineamiento primordial se pierda definitivamente.

¡Todo parece marchar a la perfección! Pero, como buenos científicos, los autores se preguntaron: ¿qué pasaría si el alineamiento observado no fuera más que una mera ilusión, causada por otro fenómeno distinto? En efecto, existen otras clases de alineamientos, como el alineamiento radial, producido por fuerzas de marea que tienden a alinear los semi-ejes mayores de las galaxias elípticas con el centro del cúmulo. Los autores notaron que si la mayoría de las galaxias se distribuyen en torno al eje mayor de la BCG, entonces el alineamiento radial podría imitar al alineamiento primordial, lo cual se ilustra en la Figura 3. Para el alivio de los investigadores, los resultados mostraron que las galaxias pertenecientes a los cúmulos de galaxias, tanto jóvenes como relajados, no presentan muestras significativas de alineamiento radial. Esto es un punto a favor para concluir que la danza galáctica que sus observaciones muestran, efectivamente corresponde a un alineamiento primordial. Cuales soldados marchando hacia su destino incierto, las galaxias mantienen su orden, rectas y firmes mientras ingresan y se establecen en su nuevo entorno, ya atrapadas por el espectacular poder gravitacional de nuevo grupo. Pero el tiempo les hará olvidar. Una promesa cierta incluso para nosotros.