Las lentes gravitacionales encuentran la “masa perdida” de los cúmulos galácticos

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Diferencias en la temperatura del fondo cósmico de microondas (CMB) medidos por el satélite Planck.

Cuando el Universo contaba solamente con 380.000 años su temperatura bajó lo suficiente para a los electrones les saliera energéticamente rentable unirse a los protones, formando átomos de hidrógeno. En este momento, los átomos fueron neutros y los fotones, que antes se movían lentamente por el plasma de partículas cargadas, pudieron viajar libremente por el espacio, llevándose consigo la información de la estructura del Universo Primigenio. Ese fondo de fotones sigue con nosotros hasta ahora y, debido a la expansión del Universo, su energía se ha movido al rango de las microondas (por eso se conoce como fondo cósmico de microondas o CMB por sus siglas en inglés).

La imagen más detallada del CMB nos la ha proporcionado el satélite Planck, lanzado por la Agencia Espacial Europea en 2009. Sus resultados muestran un Universo casi uniforme, que cuadra con la teoría inflaccionaria de la Cosmología, que dice que el Universo sufrió una expansión exponencial (inflacción) poco después del Big Bang. Las pequeñas diferencias de temperatura en el CMB son el resultado de las fluctuaciones cuánticas en la densidad de la bola de plasma caliente que era por entonces el Cosmos. Esos minúsculos cambios en la densidad crecieron a lo largo de los millones de años de expansión, dando lugar a los cúmulos de galaxias que vemos hoy en día.

Sin embargo, cuando el año pasado se dieron a conocer los resultados de Planck, los investigadores se dieron cuenta de que alrededor del 40% de la masa de los cúmulos galácticos visibles hoy en día no aparecía cuando se comparaba con la que cabría esperar a partir de las fluctuaciones medidas en el CMB. Es decir, debería haber más masa de la que vemos si tomamos como referencia los datos de Planck. Esta discrepancia rápidamente se vio como una señal de Física más allá del Modelo Estándar, y numerosas explicaciones aparecieron para solventar el problema, como neutrinos fantasma, nuevas partículas, etc.

Imagen de lente gravitacional cortesía de la NASA, ESA, M. Postman (STScI) y el CLASH Team

Imagen de lente gravitacional cortesía de la NASA, ESA, M. Postman (STScI) y el CLASH Team

Sin embargo, un artículo aparecido la semana pasada en arXiv sugiere que los cúmulos galácticos tienen en realidad más masa que la estimada por Planck, por lo que los datos pueden ser explicados sin recurrir a Física exótica. El artículo técnico es A. von der Linden et al. http://arxiv.org/abs/1402.2670. Los autores usan la técnica de lentes gravitacionales para medir la masa de los cúmulos, obteniendo un método más fiable que el utilizado en Planck, que se basa en el efecto de Sunyaev-Zel’dovich.

Medida de la masa de los cúmulos galácticos usando Sunyaev-Zel'dovich y lentes gravitacionales.

Medida de la masa de los cúmulos galácticos usando Sunyaev-Zel’dovich y lentes gravitacionales.

El efecto Sunyaev-Zel’dovich (SZ) se produce cuando los fotones, en este caso los del CMB, ganan energía al atravesar un gas de electrones energéticos. Esta ganancia de energía se puede correlacionar con la masa de las galaxias en el cúmulo, ya que a mayor masa del cúmulo más capacidad de atrapar gas caliente, pero tiene un error asociado nada despreciable.

Por su parte, el trabajo de Von der Linder ha utilizado el telescopio Subaru y el telescopio Canada-France-Hawaii, ambos en el monte Mauna Kea (Hawaii), para medir la distorsión de la luz alrededor de los cúmulos. La Relatividad General predice que la luz se curva en presencia de grandes masas, lo que se conoce como lentes gravitacionales. Midiendo esta curvatura se obtiene una predicción mucho más fiable de la masa total del cúmulo. Los investigadores midieron 22 cúmulos de galaxias, con masas alrededor de 10^{15} masas solares en promedio, unas 1000 veces mayor que la masa de la Vía Lactea, y obtuvieron un valor un 43% mayor que el de Planck.

Habrá que esperar a futuros estudios con técnicas similares y mayores cúmulos, para ver si así se soluciona la discrepancia con los datos de Planck. Sin embargo, aunque no existiera discrepancia, el estudio de la evolución de los cúmulos galácticos seguiría siendo importante, pues gracias a ello podemos conocer si el efecto de la energía oscura, esa misteriosa fuerza repulsiva que provoca la aceleración de la expansión del Universo, ha cambiado con el tiempo o no.

Noticia extraída de Nature.com