Los cúmulos de galaxias son las estructuras ligadas gravitacionalmente más masivas del Universo. Estas colosales agrupaciones de cientos o miles de galaxias se extienden a lo largo de millones de años luz. Se mantienen unidas por grandes concentraciones de materia oscura, que constituye el componente básico de la estructura del Universo. Los cúmulos que los científicos observan relativamente cerca de nosotros en el espacio y el tiempo son estructuras maduras que evolucionaron a partir de lo que se conoce como protocúmulos.
Los protocúmulos son enormes agrupaciones de galaxias poco cohesionadas que se encuentran en proceso de fusión, pero que aún no se han asentado en un cúmulo estable. Al estudiar protocúmulos muy distantes que se formaron cuando el Universo era relativamente joven, los científicos pueden comprender cómo crecieron y evolucionaron los cúmulos de galaxias más antiguos a lo largo del tiempo. Con este objetivo, un equipo internacional de científicos buscó estos viejos progenitores de cúmulos de galaxias formados hace miles de millones de años.
El estudio se realizó con DECam, una cámara de 570 millones de píxeles, que pasó más de 100 noches durante los últimos tres años capturando imágenes profundas de una vasta área del cielo del hemisferio sur. En total, los astrónomos identificaron 150 protocúmulos distantes que se formaron cuando el Universo tenía entre 1 y 3 mil millones de años de edad. Centraron su atención en dos cúmulos que mostraron una notable sobredensidad de galaxias, denominados COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C. El estudio llamado ODIN proporcionó las coordenadas 2D de la ubicación de estas estructuras en el cielo. Sin embargo, para comprender realmente su distribución galáctica y cómo se integran en la red cósmica a gran escala, es necesaria una perspectiva 3D.
Para mapear estas estructuras en 3D se utilizó un conjunto de instrumentos llamados espectrógrafos. En lugar de tomar una imagen bidimensional del cielo, los espectrógrafos utilizan las propiedades de la luz para medir la distancia a un objeto, lo que permite a los científicos determinar su posición en 3D. La mayoría de los espectros utilizados en este estudio se obtuvieron con el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura DESI, un potente espectrógrafo multiobjeto capaz de medir simultáneamente la distancia a 5.000 galaxias diferentes, que está instalado en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros, ubicado en el Observatorio Nacional Kitt Peak.
Espectros adicionales fueron aportados por el Espectrógrafo Multiobjeto Gemini GMOS, instalado en el Observatorio Internacional Gemini, así como el Espectrógrafo Multiobjeto de Imágenes Profundas DEIMOS, instalado en el Telescopio Keck II, ubicado en Maunakea, en Hawaii. Este estudio es uno de los primeros en generar mapas 3D tan detallados de múltiples protocúmulos distantes. Los mapas permitieron al equipo predecir a qué tipo de cúmulos evolucionarán COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C. Descubrieron que ambos evolucionarán hasta ser más masivos que el cúmulo de galaxias más grande conocido en nuestro Universo local, el Cúmulo de Coma.
Además, determinaron que COSMOS-z3.1-A es algo aún más raro que un protocúmulo, que ya de por sí es bastante raro. Se trata de un protosupercúmulo, o el ancestro de un cúmulo de cúmulos de galaxias. Habiendo sido observado cuando el Universo tenía tan solo 2.100 millones de años, este es el protosupercúmulo más antiguo y distante jamás encontrado, y cuenta con una impresionante masa 5.000 veces mayor que la de la Vía Láctea. A partir de los detallados mapas 3D, se concluye que estos antiguos protocúmulos son muy grumosos e irregulares, y que se ubican en las intersecciones de múltiples filamentos de La Red Cósmica.
Esta es la primera vez que los científicos observan directamente tales características en el Universo distante, y las observaciones coinciden con las expectativas científicas sobre cómo se distribuye la materia en el cosmos. Los modelos actuales sugieren que la formación de estructuras se produce de abajo hacia arriba, formándose primero estructuras más pequeñas que se fusionan para dar lugar a otras más grandes. Es probable que la subestructura grumosa observada en los mapas 3D sea evidencia de este crecimiento ascendente.
Los grumos colapsarán a medida que evolucionen los protocúmulos, dando lugar a cúmulos similares a los que observamos en el Universo local, que son mucho más redondeados. Gracias a su amplia área y profundidad, ODIN está en una posición privilegiada para descubrir más de estas estructuras cósmicas masivas en el universo distante. Los astrónomos esperan realizar más descubrimientos en la próxima década, a medida que el Observatorio Vera C. Rubin lleve a cabo su innovador Sondeo del Legado del Espacio y el Tiempo LSST. El vídeo a continuación le acercará a este enjambre galáctico, tan lejos como nunca hubiera imaginado.
Al fotografiar todo el cielo del hemisferio sur cada pocas noches, Rubin creará un valioso conjunto de datos que complementará las imágenes de gran profundidad de ODIN en la región superpuesta del cielo. En conjunto, estos datos ofrecerán una visión profunda del Universo cercano y distante, lo que permitirá a los científicos estudiar la evolución de los cúmulos de galaxias a lo largo del tiempo cósmico. Universo Mágico recomienda visitar el enlace inferior a la fotografía original y tener la oportunidad de sumergirse en un mar de galaxias perdido en las profundidades del cosmos. En estas imágenes el norte está arriba.
