El Telescopio Espacial James Webb de la NASA se centró recientemente en el Cúmulo Bala, obteniendo imágenes muy detalladas que muestran una abundancia sin precedentes de galaxias extremadamente tenues y distantes. Gracias a las nítidas observaciones del Webb en el infrarrojo cercano de esta región, los investigadores han cartografiado con mayor precisión el contenido de los cúmulos de galaxias en colisión .
“Con las observaciones del telescopio Webb, medimos cuidadosamente la masa del Cúmulo Bala con el mayor conjunto de datos de efecto de lente hasta la fecha, desde los núcleos de los cúmulos de galaxias hasta sus extremos”, afirmó Sangjun Cha, autor principal del artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters y estudiante de doctorado en la Universidad Yonsei de Seúl, Corea del Sur. (Estudios previos del Cúmulo Bala con otros telescopios se basaron en datos de efecto de lente significativamente menores, lo que resultó en estimaciones menos precisas de la masa del sistema).
"Las imágenes de Webb mejoran dramáticamente lo que podemos medir en esta escena, incluyendo la localización de partículas invisibles conocidas como materia oscura ", dijo Kyle Finner, coautor y científico asistente en IPAC en Caltech en Pasadena, California.
Mapeando la materia oscura
Todas las galaxias están compuestas de estrellas, gas, polvo y materia oscura, unidos por la gravedad. El Cúmulo Bala está formado por dos conjuntos de galaxias muy masivos, conocidos como cúmulos de galaxias, que a su vez están unidos por la gravedad.
Estos cúmulos de galaxias actúan como lentes gravitacionales , amplificando la luz de las galaxias de fondo. «El efecto de lente gravitacional nos permite inferir la distribución de la materia oscura», afirmó James Jee, coautor, profesor de la Universidad de Yonsei e investigador asociado de la Universidad de California en Davis (UC Davis), California.
Para visualizar la lente gravitacional y la materia oscura, imagine un estanque lleno de agua clara y guijarros. «No se puede ver el agua a menos que haya viento, lo que provoca ondas», explicó Jee. «Esas ondas distorsionan la forma de los guijarros que se encuentran debajo, haciendo que el agua actúe como una lente». Lo mismo ocurre en el espacio, pero el agua es materia oscura y los guijarros son galaxias de fondo.
En total, el equipo midió miles de galaxias en las imágenes del Webb para calcular con precisión la masa visible e invisible de estos cúmulos de galaxias. También cartografiaron y midieron cuidadosamente la luz colectiva emitida por estrellas que ya no están ligadas a galaxias individuales, conocidas como estrellas intracúmulos.
El mapa revisado del Cúmulo Bala se muestra en una nueva imagen: sobre una imagen de la NIRCam (Cámara de Infrarrojos Cercanos) del Webb, se encuentran datos del Observatorio de Rayos X Chandra de la NASA que muestran el gas caliente en rosa, incluyendo la forma de bala a la derecha. Las mediciones refinadas de la materia oscura, calculadas por el equipo a partir de las observaciones del Webb, se representan en azul. (Véase los cúmulos de galaxias definidos dentro de los círculos discontinuos ).
Sus hallazgos son convincentes: «Confirmamos que la luz intracúmulo puede ser un indicador fiable de materia oscura, incluso en un entorno altamente dinámico como el Cúmulo Bala», afirmó Cha. Si estas estrellas no están ligadas a galaxias, sino a la materia oscura del cúmulo, podría ser más fácil determinar con mayor precisión la materia invisible.
En conjunto, las nuevas mediciones de los investigadores refinan significativamente nuestro conocimiento sobre la distribución de la masa en el Cúmulo Bala. El cúmulo de galaxias de la izquierda presenta una zona de masa asimétrica y alargada a lo largo del borde izquierdo de la región azul, lo cual es una pista que apunta a fusiones previas en ese cúmulo.
La materia oscura no emite, refleja ni absorbe luz, y los hallazgos del equipo indican que no muestra signos de autointeracción significativa. Si la materia oscura sí interactuara en las observaciones del Webb, el equipo observaría una diferencia entre las galaxias y su respectiva materia oscura.
“Al colisionar los cúmulos de galaxias, su gas fue arrastrado y abandonado, lo cual confirman los rayos X”, dijo Finner. Las observaciones del Webb muestran que la materia oscura aún se alinea con las galaxias y no fue arrastrada.
Aunque mediciones anteriores con otros telescopios también identificaron masa invisible además de la masa de las galaxias, aún era posible que la materia oscura pudiera interactuar consigo misma en cierta medida. Estas nuevas observaciones establecen límites más sólidos sobre el comportamiento de las partículas de materia oscura.
'Reproduciendo' la colisión
Los extraños nuevos cúmulos y la línea de masa alargada que identificó el equipo podrían significar que el Cúmulo Bala se produjo por más de una colisión de cúmulos de galaxias hace miles de millones de años.
El cúmulo más grande, que ahora se encuentra a la izquierda, podría haber sufrido una pequeña colisión antes de impactar contra el cúmulo de galaxias que se encuentra a la derecha. El mismo cúmulo más grande también podría haber experimentado una interacción violenta posteriormente, causando una sacudida adicional de su contenido. «Un escenario más complejo provocaría una enorme elongación asimétrica como la que observamos a la izquierda», dijo Jee.
La cabeza de un 'gigante'
El Cúmulo Bala es enorme, incluso en la vasta extensión del espacio. La cámara NIRCam del Webb cubrió una parte significativa de los enormes escombros con sus imágenes, pero no toda. "Es como ver la cabeza de un gigante", dijo Jee. "Las imágenes iniciales del Webb nos permiten extrapolar el peso del 'gigante' en su conjunto, pero necesitaremos futuras observaciones de todo el 'cuerpo' del gigante para obtener mediciones precisas".
En un futuro próximo, los investigadores también dispondrán de amplias imágenes en el infrarrojo cercano del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para mayo de 2027. "Con Roman, tendremos estimaciones de masa completas de todo el Cúmulo Bala, lo que nos permitiría recrear la colisión real en las computadoras", dijo Finner.
El cúmulo Bala se encuentra en la constelación de Carina, a 3.800 millones de años luz de la Tierra.
