Cúmulos de galaxias: la gravedad a gran escala

Imagen en radiofrecuencia del cúmulo Plckg285.0, tomada con el telescopio ATCA en Australia. Las
observaciones fueron relalizadas por Giulia Macario y Melanie Johnston-Hollit, la reducción de los datos
y reconstrucción de la imagen por Gerardo Martínez Avilés.
Cúmulos de galaxias: la gravedad a gran escala
Gerardo Martínez Avilés
La fuerza de gravedad juega un papel muy importante en las numerosas maneras en que
la materia del universo se organiza. En las estrellas, por ejemplo, la fuerza de gravedad
dirigida hacia el centro y producida por sus enormes masas, por un lado, y la presión
generada hacia el exterior por el calor de las reacciones nucleares que ocurren en su
interior, por el otro, encuentran un equilibrio que las mantiene como estructuras estables.
A su vez, estrellas, polvo interestelar, planetas, gases y materia oscura se encuentran
unidos por la fuerza de gravedad en enormes estructuras conocidas como galaxias. La
Vía Láctea forma parte, junto con otras galaxias, de una estructura mayor que se conoce
como Grupo Local. Pero esta tendencia a la acumulación de objetos, todos unidos por
la gravedad, alcanza su máxima expresión cuando se organiza en estructuras conocidas
como cúmulos de galaxias. Estos interesantes objetos son las estructuras más grandes
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en el universo que pueden mantenerse unidas por la fuerza de gravedad.
Fig.1 La galaxia de Andrómeda es una galaxia espiral muy cercana a la Vía Láctea. Los astrónomos no
pueden tener fotografías de nuestra propia galaxia, pero se cree que su estructura es muy similar a la de
nuestra vecina.
http://apod.nasa.gov/apod/ap061126.html
Un poco de historia de galaxias y nebulosas
Hace poco más de 200 años, los astrónomos Charles Messier y William Herschel
produjeron, cada uno por su propia cuenta, los primeros catálogos de unos objetos
celestes que en siglo XVIII fueron conocidos como nebulosas. Estos objetos, a diferencia
de las estrellas, no se ven en el cielo como puntos definidos sino como objetos nebulosos
o difusos. En aquel entonces no estaba claro si se trataba de cometas, nubes de gas o
quizás objetos como nuestra propia galaxia. Sin conocer muy bien la naturaleza de las
nebulosas, Messier y Herschel compilaron dos catálogos sobre estos cuerpos que han
sido de gran utilidad inclusive hasta nuestros días. Esto podemos verlo en el nombre de
muchas galaxias; por ejemplo, Andrómeda, también conocida como M31, o como el
objeto número 31 del catálogo de Messier. Otro nombre para Andrómeda es NGC 224,
pues corresponde al objeto 224 del New General Catalogue (nuevo catálogo general), el
catálogo de nebulosas que comenzó William Herschel y fue terminado por su hijo John
Herschel.
A principios del siglo XX, la fiebre por las nebulosas llego a su clímax en el momento
conocido entre los astrónomos como “el gran debate” por la “batalla” entre los
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astrónomos Harlow Shapley y Hebert Curtis. El primero argumentaba que no existía nada
más allá de los límites de la Vía Láctea, lo cual implicaba que las nebulosas pertenecen
a nuestra galaxia. El segundo aseveraba que las nebulosas estaban fuera de los límites
de nuestra galaxia y que se trataba de galaxias como la nuestra. Un poco antes, en 1914,
el astrónomo Vesto Slipher del observatorio Lowell en Estados Unidos, descubrió que la
luz de algunas nebulosas se mostraba un poco más roja, lo cual se interpretó como el
posible alejamiento de dichos objetos con respecto a nuestra galaxia. Esto implicaba que
esas nebulosas no podían estar ligadas gravitacionalmente a la Vía Láctea. El punto final
al debate lo puso un tercero, Edwin Hubble, quien descubrió la existencia de estrellas
variables en algunas nebulosas. Las estrellas variables son las que cambian su brillo de
manera periódica en el tiempo y pueden ser utilizadas para medir distancias en el
universo. Con ellas Hubble pudo demostrar que estas nebulosas se encuentran a enormes
distancias, más allá de la Vía Láctea. Hoy sabemos, gracias al trabajo de todos estos y
otros astrónomos, que las nebulosas son en realidad galaxias como la nuestra, y que las
galaxias son agrupaciones de millones de estrellas, materia obscura, polvo, nubes, gas,
planetas y otros cuerpos menores, todos unidos por la fuerza de gravedad.
Fig. 2. Los objetos que se muestran fueron publicados por W. Herschel en 1811 en la prestigiosa revista
científica Philosophical Transactions, de la Real Sociedad de Londres. Aquí aparecen diferentes tipos de
nebulosas que fueron observadas y dibujadas por Herschel. Hoy sabemos que éstas corresponden a
galaxias.
(http://www.hao.ucar.edu/education/img/nebular.jpg)
Cúmulos de galaxias y algo más...
Desde el momento de la conformación de los catálogos de Herschel y Messier, quedó
claro que las galaxias no se encontraban distribuidas uniformemente en el cielo, sino que
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tienden a agruparse y distribuirse en grupos o cúmulos. Por ejemplo Herschel describió
el cúmulo de Coma de la siguiente manera: “esa notable colección de varios cientos de
nebulosas que se observan en lo que he llamado el estrato de nebulosas de Coma
Berenices”. De igual manera Messier menciona una notable concentración de nebulosas
en la constelación de Virgo. Hoy sabemos que esa concentración es un cúmulo y lo
llamamos el cúmulo de Virgo.
Fig. 3. En un mapa del cielo donde cada punto representa una galaxia podemos ver que hay regiones
donde los puntos tienden a aglomerarse. Estos “grumos” son cúmulos de galaxias. La zona media del
mapa que no muestra galaxias corresponde al plano de la Vía Láctea. En esta zona el material presente
en nuestra propia galaxia impide observar lo que hay detrás.
(Imagen: http://www.astr.ua.edu/keel/galaxies/clusters.html)
Los cúmulos de galaxias pueden contener desde unas 50 galaxias, hasta varios miles de
ellas moviéndose dentro del campo gravitacional del cúmulo. En 1933, el astrónomo Fritz
Zwicky calculó la masa que debía poseer un cúmulo de galaxias midiendo la velocidad
con que se mueve cada una dentro del campo gravitacional.
Siguiendo las leyes de
Newton a mayor velocidad promedio de las galaxias, mayor debe ser el potencial
gravitacional, y por lo tanto mayor deberá ser la masa del cúmulo. Estos resultados
sorprendieron a Zwicky ya que la masa que poseen los cúmulos rebasa por al menos 100
veces la calculada para la suma de las masas individuales de las galaxias observadas.
Durante algún tiempo esto se conoció como el “problema de la masa faltante”. Este
dilema fue el primero en indicar la existencia de lo que hoy conocemos como materia
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oscura (ver “Materia oscura en el Universo” en Cienciorama). Al paso de los años, más y
mejores observaciones de cúmulos de galaxias confirmaron el problema de la masa
faltante. La materia oscura no emite luz visible y sólo se manifiesta por sus efectos
gravitacionales sobre otros objetos que sí pueden ser observados. Su composición sigue
siendo un misterio para los astrónomos.
El primer gran catálogo de cúmulos de galaxias fue realizado por el astrónomo
estadounidense George Abell en 1950. Para su conformación Abell utilizó fotografías de
todo el hemisferio norte tomadas desde el Observatorio Palomar, en California. Al
principio el catálogo contaba con 2,712 cúmulos galácticos, pero las nuevas versiones,
que incluyen todo el cielo y no sólo el hemisferio norte, alcanzan los 4,073 cúmulos. Es
común encontrar nombres de cúmulos como Abell 2,218, que corresponde al objeto 2,218
del catálogo de Abell. Este catálogo es un tanto restrictivo en cuanto a las condiciones
que debe tener un cúmulo para ser catalogado como tal, por ejemplo su riqueza. Esto
quiere decir que el cúmulo debe poseer al menos 50 galaxias con tres de ellas de mayor
brillo que una cierta magnitud. Si se consideran otros criterios para clasificarlos,
encontraremos que el número de cúmulos asciende a alrededor de 10,000.
Fig.4. Lentes gravitacionales. Las enormes masas de los cúmulos de galaxias generan un hermoso y útil
fenómeno astronómico: lentes gravitacionales. La curvatura del espacio-tiempo generada por la
gravedad de los cúmulos hace que la luz proveniente de un objeto lejano que pase por un cúmulo, se
curve de manera caprichosa y llegue así un tiempo después a un observador en la Tierra. En la imagen
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tomada por el telescopio espacial Hubble del cúmulo Abell 2,218, se pueden ver segmentos de arcos de
luz provenientes de galaxias lejanas alineadas con el cúmulo. El estudio de las lentes gravitacionales
puede darnos mucha información, tanto sobre el cúmulo como sobre los objetos que se encuentran
detras. http://universe-beauty.com/Space-photos/Earth-from-space/Galaxies-Gravitational-lensing5485p.html/(mode)/search/(keyword)/abell+2218+gravitational+lens
Los objetos más grandes permitidos por la gravedad
Los cúmulos de galaxias son las estructuras más grandes que se encuentran ligadas
gravitacionalmente. Esto se debe a dos razones: la primera resulta del hecho de que el Universo
no es estático, sino que se encuentra en expansión. El siglo XX fue escenario del nacimiento de
la cosmología moderna, gracias a la aparición de la teoría de la relatividad general de Albert
Einstein (ver “1905 y el rompimiento einsteniano: relatividad” en Cienciorama), el desarrollo de
los modelos cosmológicos de Alexander Friedmann, George Lemaitre, William de Sitter y las
observaciones de Slipher y Hubble. Desde el punto de vista observacional sabemos que la enorme
mayoría de las galaxias se alejan unas de otras. La luz que nos llega de esas galaxias se encuentra
desplazada hacia mayores longitudes de onda, dado que la expansión del universo “estira” las
ondas de luz que viajan en el espacio en expansión. A mayor distancia, mayor es el estiramiento
de la longitud de onda. Este fenómeno se conoce como “corrimiento al rojo” y es uno de los
descubrimientos de mayor importancia dentro de la cosmología moderna.
Fig 5. Una onda luminosa de longitud corta corresponde a luz de color azul. Al expandirse el espacio, la
onda se estira junto con él, generando una onda de longitud mayor y volviéndose luz roja.
http://www2.astro.psu.edu/users/cpalma/astro1h/class28.html
¿Cómo afecta la expansión del universo a la formación de los cúmulos? Sabemos que la
gravedad es la fuerza que mantiene unidas las galaxias en los cúmulos y también sabemos
que esta fuerza decrece mientras más alejados se encuentren los objetos que se atraen
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entre sí. O dicho más precisamente, la fuerza de gravedad o atracción entre dos cuerpos
es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa En el caso de
los cúmulos de galaxias, la gravedad tiende a mantener unidas a las galaxias más cercanas
entre sí, donde la fuerza es suficiente para vencer a la expansión del espacio. Cualquier
galaxia más allá de los límites del cúmulo es arrastrada por la expansión cósmica, y la
gravedad no puede mantenerla unida al cúmulo.
La segunda razón por la que no existen estructuras unidas gravitacionalmente más
grandes que los cúmulos de galaxias es que el tiempo de formación de un cúmulo es del
orden de la edad del universo; es decir, de decenas de miles de millones de años.
Cualquier estructura de mayor tamaño necesitaría un tiempo mayor que la edad del
cosmos para formarse, y por lo tanto debería ser más vieja que el universo mismo.
Recientemente se ha descubierto que la gravedad puede actuar a escalas aún mayores,
uniendo a los cúmulos de galaxias en estructuras llamadas supercúmulos, sin embargo
no se cuenta aún con una definición precisa de lo que se requiere para reconocer un
supercúmulo.
Fig. 6. Las flechas azules muestran la dirección de la fuerza de gravedad que ejercen las galaxias, gas y
materia obscura hacia el centro del cúmulo del que forman parte. Las flechas rojas muestran la acción
de la expansión cósmica, que arrastra consigo a las galaxias que no están gravitacionalmente unidas al
cúmulo. Imagen: http://genesis1.asu.fedu/0308046.pdf
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Emisión en rayos X
En 1970 se logró arrojar nueva luz al conocimiento de los cúmulos de galaxias. El satélite
Uhuru, lanzado desde Kenia, permitió a un grupo de astrónomos del instituto American
Science and Engeneering en Massachusetts, Estados Unidos, observar rayos x
provenientes del espacio, imposibles de detectar desde la superficie de la Tierra dado
que son reflejados por la atmósfera. Los investigadores, bajo la dirección de los
astrónomos Edwin Kellogg y Herbert Gurskyl, apuntaron el satélite hacia los cúmulos de
Virgo y Coma. Las observaciones mostraron la existencia de una enorme cantidad de
gas muy tenue y muy caliente (¡alrededor de 25 millones de grados centígrados!) que
emitía rayos x. Los cálculos matemáticos realizados posteriormente condujeron a saber
que la masa en forma de gas de los cúmulos era mayor que toda la materia contenida
en las galaxias de cada cúmulo. Sin embargo, la cantidad de gas es insuficiente para dar
cuenta de la masa que se requiere para mantener unidos a los cúmulos. Actualmente los
números nos dicen que alrededor del 80% de la masa de un cúmulo se encuentra en
forma de materia obscura, un 15% en forma de gas y sólo un 5% en forma de galaxias.
Es por ello que algunos astrónomos como Patrick Henry, Ulrich Briel y Hans Boeringer del
Observatorio Astrofísico Smithsoniano, han dicho que el término “cúmulo de galaxias” es
impreciso. Ellos conciben a los cúmulos como enormes bolas de materia obscura y gas,
en donde las galaxias se encuentran esparcidas como las semillas en una sandía. El
avance en el estudio de los cúmulos con rayos x se ha nutrido de observaciones de los
satélites ROSAT,
del Observatorio de Rayos-x Einstein y del satélite CHANDRA, que
siguen dando información sobre lo que hay en el interior de los cúmulos.
Fig. 7. ¿La Vía Láctea está en un cúmulo? Las galaxias tienden a agruparse en forma de cúmulos, pero
curiosamente nuestra propia galaxia no se encuentra en uno. Las observaciones muestran que la Vía
Láctea pertenece a un grupo de unas 35 galaxias que se conoce como Grupo Local. A él pertenecen
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también Andrómeda, las Nubes de Magallanes y algunas decenas de galaxias espirales y enanas. El
Grupo Local no tiene una cantidad suficiente de galaxias para ser considerado un cúmulo. Se ha
observado que la enorme mayoría de las galaxias que componen a los cúmulos son galaxias elípticas,
que no tienen forma de disco ni brazos espirales, y sus estrellas tienden a ser más rojas que las de las
galaxias espirales. Las galaxias espirales como la nuestra son más bien raras en los cúmulos.
http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%ADa_L%C3%A1ctea#mediaviewer/File:360degree_Panorama_of_the_Southern_Sky_edit.jpg
Puentes entre la astrofísica y la cosmología
Estudiar un cúmulo de galaxias es lo más parecido a estudiar al universo como si
estuviéramos fuera de él, puesto que contienen galaxias de varios tipos, estrellas, gas y
materia obscura, elementos muestra de lo que sabemos que hay en el Universo. La
escala siguiente de los cúmulos es la estructura del universo a gran escala. Aquí las
cosas ya no se encuentran unidas entre sí por la fuerza de gravedad, lo que domina su
evolución es la expansión cósmica. No obstante, el estudio de los cúmulos de galaxias
nos puede dar mucha información de cómo ha sido tal evolución. Una característica muy
útil de los cúmulos de galaxias es que pueden ser observados a enormes distancias.
Mientras más lejos vemos en el espacio también vemos más lejos hacia atrás en el tiempo,
porque la luz tarda más tiempo en llegar a nosotros desde donde fue emitida. Por lo
tanto, al observar cúmulos lejanos observamos también una muestra del pasado del
cosmos.
En el año 2005, un grupo de investigación internacional conocido como el
Consorcio de Virgo, realizó una serie de simulaciones computacionales a gran escala de
la evolución del Universo, a la que se llamó simulación Millenium. Para llevarlas a cabo
se utilizaron distintos parámetros cosmológicos como las cantidades de masa y materia
obscura, así como la constante cosmológica que es el número que rige la tasa de
expansión del universo. La investigación arrojó una serie de resultados sobre la historia
evolutiva del cosmos. En particular, el número de cúmulos de galaxias que se espera
observar a diferentes distancias varía dependiendo de los valores de estos parámetros.
Ahora falta comparar las observaciones de la cantidad de cúmulos con los resultados de
las simulaciones para poder elegir los valores más precisos de los parámetros
cosmológicos.
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Fig. 8. Simulación Millenium del Universo a gran escala. Cada uno de los objetos amarillos más
brillantes corresponde a un cúmulo de galaxias.
http://www.redshift-live.com/de/magazine/articles/Astronomie/18745-Kosmologie-2.html
En la actualidad los cúmulos de galaxias son un campo muy fecundo de la investigación
en astrofísica y quienes nos dedicamos a estudiarlos no tenemos duda sobre el
excepcional cúmulo de secretos que aún esconden y que esperamos develar algún día.
Bibliografia:

Biviano, Andrea, 200 years of sciece with Galaxy Clusters, IAP 2000 Meeting, Paris 2000

Feretti, L, Merging Processes in Galaxy Clusters, Kluwer Academic Publishers 2002.

Harriason, Edwiard, Cosmology, 2da edicion, Cambridge University press 2000.

Henry, Patrick, Briel, Ulrich & Boeringer Hans, The evolution of Galaxy Clusters, Scientific American,
diciembre 1998.
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