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Observación de un proto-cúmulo: El pasado de los cúmulos de hoy

Sabemos que existen cúmulos de galaxias en el Universo, pero poco sabemos de cómo y cuando adquirieron la masa para convertirse en tales. ¿Lo hacen antes, durante o después de comenzar a asentarse? El panorama para los cúmulos más cercanos está un poco más claro: las galaxias en cúmulos cercanos ya fusionado son galaxias que forman estrellas a una baja tasa, pero no sabemos si esto es válido para los cúmulos más lejanos, donde galaxias que viven en estructuras más masivas tienen tasas de formación estelar más altas, que concuerda con el crecimiento de formación jerárquica. Estos ambientes densos convirtiéndose en proto-cúmulos de manera rápida son difíciles de detectar debido a que a redshift mayor que z=2,5 (cuando el Universo tenía aproximadamente 2,5 Giga años), el medio dentro del cúmulo aún no ha sido calentado lo suficiente como para emitir en rayos X o absorber los fotones de la radiación del fondo de microondas por el efecto Sunyaev-Zel’dovich, que son formas comunes para detectarlos. A pesar de haber sido observados, estos ambientes densos a alto redshift no proveen suficiente evidencia que permita interpretar cómo y cuándo se forman las galaxias en esas regiones.

PCL1002

Fig12

Figura 1: Algunas de las observaciones con el telescopio espacial Hubble de los miembros de la estructura PCL1002. Crédito: Figura 3 del artículo.

Este artículo presenta la estructura PCL1002, un proto-cúmulo (cúmulo en proceso de formación) a redshift z=2,47 — correspondiente a una edad del Universo de aproximadamente 2,6 Giga años — encontrado de manera casual durante una observación de redshift de galaxias con polvo que están formando estrellas (DSFGs, por sus siglas en inglés). Esta observación fue realizada con el instrumento MOSFIRE — que toma espectros de múltiples objetos — en el telescopio Keck. Siete DSFGs fueron confirmadas como miembros de este proto-cúmulo.

En total, más de 40 objetos observados con distintos telescopios fueron confirmados como miembros de esta estructura. Las observaciones fueron en bandas ópticas, sub-milimétricas, de radio y rayos X. En la Figura 1 se pueden observar algunos de estos candidatos.

Recolectando todas las observaciones, se observan 6 AGN (galaxias de núcleo activo) luminosos, 9 galaxias con importantes características de AGN, 7 DSFGs luminosas en la parte sub-milimétrica del  espectro, con un total de 12 galaxias excepcionalmente raras pertenecientes a esta estructura. En la Figura 2, se presenta la proyección espacial en el cielo de los objetos observados con los que pertenecen potencialmente a la PCL1002.

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Figura 2: Proyección espacial en el cielo de tres dimensiones de PCL1002. Los puntos negros gruesos corresponden a galaxias confirmadas pertenecientes a la estructura. Los puntos grises son galaxias con redshift entre z=2,30 y z=2,66. Crédito: Figura 2A del artículo.

¿Otras explicaciones?

La posibilidad de que estas galaxias no estén relacionadas entre sí (basada en qué tan probable es encontrar 7 DSFGs a la misma distancia que estos fueron encontrados) es 0,002%, lo que la descarta. Las galaxias “Lyman Break” (LBGs, por sus siglas en inglés) en la misma ubicación, también corresponden a una sobre densidad, aunque un poco menor. Además, se encuentra una densidad de AGNs, y la concentración de galaxias que emiten de forma luminosa en rayos X es 21 veces mayor que la esperada. De las DSFGs, 57% muestra evidencia de ser AGN. Considerando su evolución, una de ellas podría convertirse, a redshift z=0, en la galaxia más brillante del cúmulo, superando en luminosidad cualquier otra galaxia miembro de un cúmulo conocida.

Algo interesante es comparar con las galaxias vecinas no pertenecientes al proto-cúmulo, una “muestra de control” de 401 galaxias. En términos de masa estelar, las galaxias tipo LBG que viven en el proto-cúmulo resultan ser aproximadamente 1.5 veces más masivas que las galaxias de campo, presentando tasas de formación estelar similares, mientras que la masa del polvo frío y el medio interestelar son potencialmente mayores en el caso de las galaxias pertenecientes a esta estructura. También se compara la morfología, mostrando que, aproximadamente, 48% de las galaxias del cúmulo parecen irregulares o teniendo algún tipo de interacción, contrastando con el 20% de las galaxias de campo que presentan estas características.

La sobre densidad de DSFGs no se considera indicador de proto-cúmulos, ya que existen varios de ellos en que no se han observado. Sin embargo, este estudio sugiere que la falta de observaciones profundas en otros proto-cúmulos las ha mantenido escondidas.

El tipo de galaxias observadas, DSFGs y con un núcleo activo de alta luminosidad, son etapas de corta duración (aproximadamente 100 Mega años), por lo que una sobre abundancia de éstas en un proto-cúmulo es inusual. Este fenómeno puede tener dos explicaciones: estas etapas son cortas y son gatilladas al mismo tiempo por un proceso relacionado al ambiente muy denso en el que viven; o lo que creemos en cuanto a su tiempo de duración es erróneo, y estos procesos son más largos, por lo que lo encontrado en estas observaciones no sería inusual. La evidencia de este hallazgo se inclina por la primera opción, debido a la morfología encontrada en los miembros del cúmulo (galaxias irregulares y con algún tipo de interacción), y la falta de evidencia de que las etapas de AGN son más largas de lo predicho. Si esto es correcto, este estudio es la primera evidencia de que el ambiente de las galaxias puede gatillar estos procesos en grandes volúmenes a redshift mayor que z=2.

Destino del proto-cúmulo

El volumen actual de PCL1002 es de 15.000 Mpc3 y colapsaría en aproximadamente 50 Mpc3 a redshift z=0, lo que se ajusta a las predicciones de las simulaciones cosmológicas de materia oscura, que sugieren que los cúmulos más masivos observados hoy ocupaban volúmenes mucho mayores a redshift z=2,5, estando sin virializar aún. Esto es también consistente con todos los cúmulos de alta masa encontrados cerca, lo que confirmaría que este es un cúmulo masivo en formación. Por otra parte, la medición de masa del halo de materia oscura en que habita este proto-cúmulo es del orden de 1013 masas solares y correspondería a 1015 masas solares a redshift 0 (el doble del halo en que vive el súper-cúmulo de Coma).

El descubrimiento de más objetos de este tipo podría volverse más recurrente, pero lo realmente interesante será aprender sobre su volumen y el tiempo que demora en formarse. Estas características son cruciales para las simulaciones cosmológicas hidrodinámicas y para entender el mecanismo que forma los cúmulos que observamos hoy.

Comentarios

Un comentario en “Observación de un proto-cúmulo: El pasado de los cúmulos de hoy

  1. For a nearby example look at HCG 16, the CG which is unusally super active with 1 seyfert 2, 2 luminous LINERs and 3 starbursts: 1996_Ribeiro_etal_APJ463L5; this finding at higher redshift goes in the sense that clusters formed by the merger a compact groups 2009_Coziol_etal2009AJ….137.4795C; hope they cite these two sources in their article (I bet they simply ignore us…they usually do).

    Publicado por Roger Coziol | 17/01/2016, 14:43

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