Entendiendo los cúmulos de galaxias en proceso de fusión

Crédito de la imagen de portada: Figura 1 central izquierda del artículo original

Datos del artículo científico:

• Título: A combined LOFAR and XMM-Newton analysis of the disturbed cluster PSZ2G113.91-37.01
• Autoras/es: G. Campitiello, A. Bonafede, A. Botteon, L. Lovisari, S. Ettori et al.
• Institución de la primera autora: INAF, Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio, via Piero Gobetti 93/3, 40129 Bologna, Italy
• Estado de la publicación: Aceptado en Astronomy and Astrophysics, acceso abierto en arXiv.

Cúmulos de galaxias

Los cúmulos de galaxias son agrupaciones de galaxias gravitatoriamente unidas y forman las estructuras más grandes conocidas en el Universo. Se cree que se forman de manera jerárquica, es decir, por acreción de estructuras más pequeñas como galaxias o materia difusa y por la fusión entre galaxias. En particular, el cúmulo de galaxias estudiado en el artículo, PSZ2G113.91-37.01, es uno de los cúmulos más distorsionados debido a que se está produciendo una fusión entre dos galaxias. Este tipo de fusiones liberan mucha energía que dejan huella en distintas bandas del espectro electromagnético en las que emite el cúmulo. En particular, les autores están interasades en entender la relación que existe entre la emisión en radio y en rayos X de este objeto astronómico para entender qué procesos físicos ocurren en eventos de fusión de galaxias.

¿Por qué radio y rayos X?

La emisión en rayos X de los cúmulos proviene principalmente de la emisión del gas del medio intracúmulo. Este gas está a muy alta temperatura debido a la energía que se desprende por los procesos de fusión entre galaxias y la acreción de materia y, por lo tanto, emite radiación térmica en las regiones más energéticas del espectro electromagnético. Las observaciones de rayos X de este cúmulo se han llevado a cabo con el telescopio XMM-Newton.

Por otra parte, el origen de la emisión en radio no es tan claro ya que es de tipo no térmico y no se entiende con totalidad. En otros cúmulos se han identificado dos tipos de emisión en radio: halos de radio y reliquias de radio. Los primeros se sitúan en las regiones centrales del cúmulo de la misma forma que la emisión en rayos X. Esta emisión se cree que proviene de la turbulencia inducida por la fusión de galaxias. Por el contrario, las reliquias de radio se encuentran en las periferias, no tienen una contrapartida en rayos X y se asocian con ondas de choque débiles. Las observaciones en radio se han obtenido tras observar el cúmulo con los radiotelescopios LOFAR y uGMRT.

La emisión en rayos X

La fusión de las galaxias en este cúmulo se está produciendo en la dirección norte-sur por lo que es interesante estudiar cuál es la temperatura de emisión en el centro y en las afueras de la región de fusión. Para ello se divide el cúmulo en cuatro sectores atendiendo a las direcciones norte (N), sur (S), este (E) y oeste (W) como se muestra en la Figura 1.

En la sección sur no se puede delimitar una zona interna y otra externa porque el cúmulo presenta una emisión extendida, en el resto sí que se delimitan las zonas internas desde el centro hasta las líneas negras continuas y las zonas externas desde las líneas continuas hasta las discontinuas. Para la dirección norte se obtiene que la temperatura interna es menor que la externa, con 76 y 112 millones de grados Celsius respectivamente. Para comprobar si esto se debe a una propiedad general del centro del cúmulo o es debido a la acreción de materia, se analizan también los sectores E y W. El sector este, también presenta un centro más frío que el exterior con 104 y 162 millones de grados Celsius. Sin embargo, el sector oeste tiene la tendencia opuesta con un centro a 71 millones de grados y el exterior a 93 millones de grados. Dado que las temperaturas en el sector E son mayores que las del W, el equipo de investigación interpreta esto como la presencia de otro objeto astronómico superpuesto que emite a alta energía en la zona E o que también se estén produciendo acreción de otras subestructuras. Y, por lo tanto, la tendencia a tener un interior más frío que el exterior es solo causada por la acreción de material en la región donde se esté produciendo (en este caso con seguridad en la región N) y que, en general, la tendencia de temperatura en el cúmulo es mayor en el centro y decrece en las afueras.

La emisión en radio

La observación de la emisión en distintas frecuencias de radio permite conocer el índice espectral de la emisión, es decir, la constante que relaciona la emisión (S) con la frecuencia (n) de la forma S µ n^a. El mapa de índice espectral se muestra en la Figura 2 donde se encuentran superpuestos los contornos de intensidad de emisión. En esta Figura se aprecia claramente el halo central y las dos reliquias al norte y sur.

El índice espectral en la región del halo central muestra una ligera tendencia a disminuir hacia el exterior. El valor medio del índice en esta región es -1.2 con una desviación estándar de 0.2. Esta desviación es mayor que el error experimental lo que indica que, además de errores sistemáticos, existen fluctuaciones a pequeña escala producidas por algún mecanismo físico que hacen aumentar la desviación. En cuanto a la reliquia norte, se observa un descenso del índice espectral conforme se avanza hacia las afueras y puede ser explicado por el paso de una onda de choque hacia el exterior. En el límite más externo se observa que el índice vuelve a aumentar, pero esto es debido a la presencia de una galaxia del cúmulo en esa zona. Y finalmente, en la reliquia sur no se encuentra ninguna tendencia en particular.

Correlación entre rayos X y radio

Dado que la emisión en radio es poco entendida, es útil correlacionar espacialmente esta emisión con la emisión en rayos X para averiguar si existe alguna conexión. Para ello, el grupo de investigadores asume una relación I_R µ I_X^k como sugieren algunos trabajos previos. Esta relación separada por componentes se muestra en la Figura 3. Para la región del halo, se encuentra una buena correlación de este estilo con k=0.27. En la reliquia norte se encuentra una tendencia inversa con k=-2.6. Esta anti-correlación es debida a que la emisión en rayos X solo se encuentra en el centro y decrece hacia las afueras mientras que justo en esas afueras está la emisión fuerte de radio de la reliquia. En cuanto a la reliquia sur, no hay suficientes medidas para realizar un ajuste.

Por último, el equipo firmante del artículo estudia la correlación entre las fluctuaciones respecto a un modelo de emisión de rayos X y la emisión total de radio. Puesto que la emisión de rayos X en el halo es común en todos los cúmulos, ajustando esta emisión a un modelo teórico sin fusión de galaxias y restándola, se resalta más la emisión generada únicamente por la fusión. Realizando el mismo tipo de ajuste anterior, se obtiene que la correlación en el halo es aún más fuerte y con mayor pendiente, k=0.50. Por lo tanto, esto sugiere que el mecanismo que genera la emisión en radio debe estar relacionado con el proceso físico que genera fluctuaciones en la emisión en rayos X, pero todavía se necesita más investigación para averiguar cuáles son estos procesos.

¿Entonces qué sacamos en claro de todo esto?

Solo analizando la emisión en rayos X se ha comprobado que la temperatura del cúmulo en general disminuye hacia las afueras, pero si en una zona se está produciendo una fusión entre galaxias entonces la zona de fusión es más caliente por la liberación de energía. Por otra parte, el índice espectral en radio en el halo central tiene una desviación estándar elevada por los que hay procesos físicos a pequeña escala aún por descifrar que lo están haciendo variar. Y en las reliquias el índice disminuye hacia el exterior como consecuencia de la onda de choque que se propaga por la fusión de galaxias. Además, en el halo estos dos tipos de emisiones están correlacionados pero lo que aún tiene más relación son las fluctuaciones en rayos X con la emisión en radio. Por lo tanto, los mecanismos que generan la emisión en radio deben ser los mismos que alteran la emisión global de rayos X el problema es ¡que aún no sabemos cuáles son!