Cúmulos: Agrupaciones estelares y de galaxias en el espacio

Hablar de Cúmulos, nos lleva como referencia a lo que son las agrupaciones de algunas cosas. Un ejemplo a nivel astronómico, es el de los cúmulos de estrellas. Estas son atraídas entre sí por su gravedad mutua y es lo que llega a formar el cúmulo como tal. Con respecto a los cúmulos estelares, estos se han clasificado tradicionalmente de dos maneras: los cúmulos globulares y los cúmulos abiertos, que también son llamados cúmulos galácticos.

Estas agrupaciones son de gran interés para la NASA e incluso tiene equipos capacitados especialmente para la búsqueda de los mismos. Un registro notorio sobre este acontecimiento se realizó el pasado 2016 en el mes de enero, donde se realizó una búsqueda que llevó el nombre de Cacería XXL de cúmulos de galaxias, específicamente. Este nombre se escogió ya que a través de rayos X de área sur se realizó el sondeo XXL.

En este sentido, otro término que es necesario explicar es el de los cúmulos de galaxias. Esta clasificación de cúmulos espaciales, se tratan de congregaciones masivas de galaxias que además albergan inmensas reservas de gas caliente que poseen temperaturas que resultan ser tan elevadas que llegan a producir rayos X. Llegando a convertirse en estructuras que resultan ser útiles para los astrónomos.

El gran interés surge ya que se cree que la construcción de estos está influenciada por los componentes más extraños del Universo, lo cuales son: la materia oscura y la energía oscura. Los estudios han indicado que las propiedades en diferentes etapas de la historia del Universo, registran que los cúmulos de galaxia podrían arrojar luz sobre el poco conocido lado oscuro del Universo.

Cacería XXL de cúmulos de galaxias

El grupo de especialistas que se encargó de esta cacería, estuvo conformado por más de 100 astrónomos de todo el mundo. La búsqueda de estos monstruos cósmicos inició específicamente en el año 2011. Ahora bien, por un lado la radiación alta de energía de los rayos X revela que su ubicación es absorbida por la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, además de esto, puede ser detectada por los observatorios de rayos X en el espacio.

Cacería XXL de cúmulos de galaxias

Para realizar esta investigación, lo que hicieron fue combinar el sondeo XMM-Newton de ESA, esto fue lo que implicó la mayor adjudicación de tiempo de observación jamás otorgada a este telescopio en órbita. También se elaboró junto a observaciones provenientes de ESO y otros observatorios. Como resultado obtuvieron una enorme y creciente recopilación de datos de todo el espectro electromagnético, que se ha denominado colectivamente el sondeo XXL.

Este sondeo que llevó la numeración de XXL, tuvo como finalidad principal la de proporcionar un muestreo específico y definido de aproximadamente 500 cúmulos de galaxias encontrados a una distancia en la que el Universo se encontraba en la mitad de su edad actual, conforme a lo que detalla Marguerite Pierre de CEA, Saclay, Francia. Lo que logró captar como tal las imágenes de dos zonas del cielo, fue el telescopio XMM-Newton.

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Las zonas que fueron halladas en el cielo tenían cada una un tamaño de cien veces el área de la luna llena. De hecho, este tamaño pudo ser determinado en un intento por descubrir un gran número de cúmulos de galaxias no conocidas previamente. Este equipo que conforma el sondeo XXL ha publicado sus conclusiones en una serie de artículos científicos que refieren a los 100 cúmulos más brillantes que fueron descubiertos durante el tiempo de exploración.

Observaciones con instrumento EFOSC2

De igual forma, también se usó para ese sondeo un grupo de observaciones que fueron realizadas con el instrumento EFOSC2. Este instrumento fue instalado en el New Technology Telescope (NTT), acompañado del instrumento FORS que se acopló también al Very Large Telescope de ESO (VLT). Lo que se tenía previsto cuando se reunió este equipo, fue analizar cuidadosamente la luz proveniente de galaxias dentro de estos cúmulos de galaxias.

Pero  lo fundamental de esto es que permitió al equipo que se realizaran medidas de las distancias exactas hasta los cúmulos de galaxias. Esto fue lo que proporcionó entonces, una vista tridimensional del cosmos, la cual era requerida para realizar las mediciones más precisas sobre la misteriosa materia oscura y la  energía oscura. De esto se espera que el sondeo XXL genere diversos resultados interesantes e imprevistos. Sin embargo, aún con la quinta parte de los datos finales, ya han surgido importantes y sorprendentes hallazgos.

Entre los artículos científicos publicados, con respecto a la búsqueda de cúmulos estelares, específicamente este sondeo mencionado, se informa sobre todo el descubrimiento de cinco nuevos súper cúmulos. Esto quiere decir que se trata sobre cúmulos de cúmulos de galaxias que se van agregando a los ya conocidos, como nuestro propio súper cúmulo que es denominado como Laniakea.

Además de este dato tan importante para la astronomía, también existe otro informe que revela a las observaciones de seguimiento a un cúmulo de galaxias en particular (informalmente conocido como XLSSC-116). Este cúmulo de galaxias está ubicado a una distancia de seis mil millones de años luz y al utilizar el instrumento MUSE del VLT, se observó en dicho cúmulo una fuente de luz inusualmente brillante y difusa.

Cúmulos de galaxias

Por primera vez se ha logrado analizar en detalle la luz difusa que se observa en un cúmulo de galaxias distante, lo cual ha demostrado la potencia de MUSE para estas valiosas investigaciones, según los análisis realizados por el Laboratorio de Astrofísica de Marsella, Francia. Dentro de este equipo, también se utilizaron los datos que confirman el concepto que es el que postula que los cúmulos de galaxias fueron versiones de los actuales.

Esta investigación, arroja además que se trata de escalas reducidas de los que actualmente hemos observado, ya que se trata de cúmulos de galaxias que existían en el pasado. Este tipo de descubrimientos son importantes para poder comprender de manera teórica, lo que tiene referencia a la evolución de los cúmulos a lo largo de la historia del Universo. Ya que la forma de conocer lo ocurrido en el espacio en tiempos pasados, solo puede hacerse a través de indagaciones científicas y astronómicas.

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Solo el acto de contar los cúmulos de galaxias en los datos XXL lograron confirmar, además, un resultado previo bastante peculiar. Resulta que existen menos cúmulos distantes que los esperables, basados en predicciones con parámetros cosmológicos que fueron calculados por el telescopio Planck de ESA. Sin embargo, aun se desconoce el motivo de esta discrepancia, por esta razón el equipo espera llegar a comprender esta curiosidad cosmológica con el muestreo completo de cúmulos en los próximos tiempos.

Los resultados mencionados son bastante relevantes para la ciencia y además de esto, no se tratan más que de una forma anticipada de mostrar lo que se espera conseguir con este enorme sondeo de algunos de los objetos más masivos del Universo. La mayoría de los artículos científicos que describen este sondeo pueden ser encontradas en la reconocida revista Astronomy & Astrophysics.

Clasificación de los cúmulos estelares

Entre los distintos tipos de cúmulos que hay en el espacio, es importante describir de qué se trata uno de ellos, en este caso se van a explicar lo que son los cúmulos globulares y los cúmulos abiertos. Viendo que inicialmente se explicaron lo que son las agrupaciones de galaxias, la importancia de sus exploraciones y sondeos realizados para la elaboración de sus estudios.

Clasificación de los cúmulos estelares

En primer lugar, es necesario definir lo que son los cúmulos globulares. Se trata de agrupaciones bastantes densas y que poseen centenares de miles o millones de estrellas viejas. Cuando se habla de estrellas viejas, quiere decir que tienen una edad de más de mil millones de años aproximadamente. Y son estas estrellas las que conforman este tipo de agrupación y lo caracteriza principalmente.

Por otra parte, existen también los cúmulos abiertos que generalmente poseen centenares o millares de estrellas jóvenes. En este caso se trata de aquellas estrellas que tienen menos de cien millones de años o incluso aquellas de edad intermedia, es decir, entre cien millones y mil millones de años. Algo que caracteriza a los cúmulos abiertos, es que son disgregados a lo largo del tiempo.

Esto implica que en los cúmulos abiertos las estrellas se van dispersando y esto ocurre por su interacción gravitatoria con las nubes moleculares en su movimiento por la galaxia. Por otra parte, en los cúmulos globulares más densos, existe mayor estabilidad frente a su disgregación. Sin embargo a largo plazo, también terminan siendo destruidos.

Diferencias entre cúmulos globulares y abiertos

Lo que se menciona principalmente entre las diferencias de estos cúmulos, es el número de estrellas que hay entre las misma, esto es a lo que se refiere su tamaño en masa o la masa de los cúmulos estelares. Otra diferencia es la edad que existe entre los dos tipos tradicionales de cúmulos, como ya se había mencionado con anticipación. Por otra parte, también es posible distinguirlos por su metalicidad.

La metalicidad de los cúmulos abiertos suele ser mucho mayor, ya que estos cúmulos son ricos en metales, mientras que por otra parte los cúmulos globulares son pobres con respecto a los metales. Otra gran diferencia entre los cúmulos, radica en su órbita, ya que los cúmulos abiertos atañen a la población del disco de la galaxia; por otra parte los cúmulos globulares pertenecen al halo. Contradictoriamente, no existen diferencias grandes entre los tamaños de los núcleos de ambos tipos de cúmulos, que en ambos casos es de unos pocos pársecs.

Clasificación pasada

Para la década de los 80’s y 90’s ocurrió un importante descubrimiento en el que se realizó la tradicional clasificación que en realidad no abarcaba todos los cúmulos estelares existentes en todo el espacio universal. Un ejemplo de ellos es el de la Nube de Magallanes. Dentro de ella, existen cúmulos que son tan masivos como los globulares pero jóvenes (R136, el núcleo de 30 Doradus, es el caso más notorio).

Por otra parte, se descubrieron en otras galaxias (por ejemplo, M82) en aquellos años supercúmulos estelares tan masivos o más como los globulares pero jóvenes. Además en algunos de esos supercúmulos estelares (NGC 3603, Westerlund 1) también se han identificado en el plano de nuestra propia galaxia, escondidos tras grandes nubes de polvo.

De la misma forma, se comprobó que la diferencia entre cúmulos estelares (que son objetos ligados, esto es, unidos por su atracción gravitatoria) y asociaciones estelares (agrupaciones que no están unidas gravitacionalmente y que se dispersan lentamente) no está bien marcada. Algunas agrupaciones estelares nacen como cúmulos, otras como asociaciones estelares, otras como cúmulos rodeadas de asociaciones y otras en un estado limítrofe entre cúmulos y asociaciones.

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Sin embargo, tarde o temprano todas ellas acaban disgregándose. Aunque como ya hemos mencionado, los cúmulos globulares (los cuales cuando son jóvenes se llaman supercúmulos estelares) son los que perduran más. Se puede observar que existen cúmulos globulares que se formaron al principio de la vida de nuestra galaxia. Pero por otro lado, también es posible apreciar cómo algunos cúmulos globulares poseen colas de marea.

Colas de marea

Estas colas de marea que poseen algunos cúmulos globulares, son rastros de estrellas que se han ido desprendiendo del cúmulo a lo largo de su historia y que presagian su dispersión final. Sin embargo, además existe una clasificación moderna de las agrupaciones estelares (cúmulos o asociaciones) debe incluir al menos tres variables: la edad, la masa y el estado gravitacional; y quizás dos más, que son la metalicidad y el tipo de órbita al que pertenece.

Colas de marea

La astronomía y los cúmulos

Existe un marcado interés astronómico de los cúmulos, entre los que es imprescindible mencionar al Cúmulo globular G1 en M31. Estos cúmulos estelares son los que han colaborado en la comprensión de lo que es la evolución estelar, al ser estrellas formadas en la misma época a partir del material de una nube molecular. Además de esto, representan un paso fundamental en la determinación de la escala del Universo.

En algunas ocasiones, los cúmulos abiertos más cercanos se pueden utilizar para medir sus distancias absolutas por medio de la técnica del paralaje. Uno de los grandes medidores, de hecho, es el del diagrama de Hertzsprung-Russell de estos cúmulos que con este, se puede representar con los valores de luminosidad absoluta. Por otra parte, los diagramas que son similares y que también evalúan los cúmulos cuya distancia no es conocida, pueden ser comparados con los de distancia calibrada estimando la distancia que los separa de nosotros.

Especificidad del cúmulo globular

Es importante mencionar con más detalle lo que es un cúmulo globular o también conocido como globular cluster, en inglés. Se trata de un tipo de cúmulo estelar que consiste en una agrupación de 100.000 a 1.000.000 de estrellas viejas. Esto significa que es de Población II. Las estrellas de este tipo de cúmulos están gravitacionalmente ligadas, con distribución aproximadamente esférica y que orbitan en torno a una galaxia de manera similar a un satélite.

Estas estrellas viejas son las que le dan a los cúmulos globulares su típico distintivo color dorado, que son sólo visibles por medio de la fotografía en color. Generalmente están compuestos por cientos de miles de estrellas viejas, del mismo tipo que las que componen el bulbo de una galaxia espiral, pero confinadas en un volumen de sólo unos pocos pársecs cúbicos.

En realidad algunos cúmulos globulares, como lo son el Omega Centauri en la Vía Lácea y G1 en M31 en la galaxia de Andrómeda, son extraordinariamente masivos, del orden de varios millones de masas solares. Por otra parte, también existen otros como M15. Este último es otro cúmulo que está ubicado en nuestra Vía Láctea, tienen núcleos extremadamente masivos, lo que hace sospechar la presencia de agujeros negros en sus centros.

Además de este misterio, cada cúmulo globular parece tener una edad definida, por supuesto con unas pocas excepciones notables. Esto quiere decir, que todas las estrellas de un cúmulo globular están aproximadamente en la misma etapa de su evolución, lo que sugiere que todas se han formado al mismo tiempo. Fue el reconocimiento de este hecho, estudiando los diagramas de Hertzsprung-Russell de cúmulos globulares, lo que dio lugar a una primera teoría de evolución de las estrellas.

Densidad estelar

Cada cúmulo globular posee una densidad estelar muy alta. De esta forma existen fuertes interacciones entre lo que son sus estrellas componentes y además, suelen ocurrir colisiones con relativa frecuencia. Algunos tipos que son exóticos entre las estrellas, como las rezagadas azules (blue stragglers, en inglés), los púlsares milisegundo y las binarias de poca masa emisoras de rayos X son mucho más frecuentes en los cúmulos globulares.

Cantidad de cúmulos globulares

En el espacio existen una cantidad bastante numerosa de cúmulos globulares. Existen al menos 150 cúmulos que son conocidos en la Vía Láctea. Incluso es probable que existan 10 o 20 más que aun no han sido descubiertos. De hecho, galaxias más grandes como M31 tienden a tener aún más (M31 contaría con al menos 500). Algunas galaxias elípticas gigantes, como M87, podrían tener 10.000 cúmulos globulares o incluso más aún. Los cúmulos orbitan alrededor de la galaxia a gran distancia, típicamente a unos 100 kilopársecs o más.

Metalicidad

El contenido en metales de los cúmulos globulares es bastante peculiar, ya que están formados generalmente por estrellas pertenecientes a la Población II. Estas estrellas tienen bajo contenido en metales, en comparación con las estrellas de Población I, que son aproximadamente como el Sol. Astronómicamente se llaman metales a todos los elementos que son más pesados que el helio, como el carbono, el oxígeno, entre otros.

También en astronomía, un “metal” es aquel elemento distinto de hidrógeno, helio o litio. La razón es que estos últimos elementos mencionados, son los únicos elementos que se encuentran naturalmente sin necesidad de la Fusión Nuclear que se da en las estrellas. Otro aspecto a considerar en este punto, es que en muchas galaxias, especialmente en las galaxias elípticas masivas, puede haber dos poblaciones de cúmulos globulares con diferente metalicidad.

A esto se le llaman subpoblaciones de cúmulos y son normalmente conocidas como “pobres en metales” y “ricas en metales”. Por otra parte, la composición de aquella que contiene más metales no llega a alcanzar la metalicidad del Sol. De acuerdo a distintos autores, se han sugerido muchas teorías para explicar estas subpoblaciones, como fusiones galácticas violentas, la acreción de galaxias enanas y las múltiples fases de la formación de estrellas en una sola galaxia.

Con respecto a nuestra Vía Láctea, los cúmulos que tienen baja metalicidad están asociados con el halo galáctico, y los “ricos” son aquellos que se pueden asociar con el bulbo galáctico.

Observación de cúmulos de galaxias

Astronómicamente se ha observado la formación de un cúmulo de galaxias, sobre todo a partir del año 2014 fue cuando iniciaron los hallazgos más novedosos sobre este fenómeno o acontecimiento espacial en el universo temprano. Estos objetos cósmicos son los cúmulos de galaxias y son los objetos más grandes que existen en el universo.

Es importante destacar que los mismos e mantienen unidos por la gravedad, pero aún no se comprende bien cómo se forman. Ahora, se ha llevado a cabo un censo completo de la formación estelar en un objeto de este tipo en el universo primitivo. Por otra otra parte se ha venido estudiando durante muchos años a MRC 1138-262, que es conocida como la Galaxia Telaraña, debido a que se cree que es uno de los mejores ejemplos de un protocúmulo en pleno proceso de unión.

Sin embargo, a un equipo de investigadores le parecía sospechoso que a esta historia le faltaban piezas. Por esta razón, decidieron que debían estudiar el lado oscuro de la formación estelar y de esta manera averiguar cuántas de las estrellas que se estaban formando en el cúmulo de la Galaxia Telaraña estaban ocultas a nuestra vista. Es decir, detrás del polvo.

Para la investigación, el equipo utilizó la cámara LABOCA, instalada en el telescopio APEX, en Chile. De esta forma, se pudo observar este cúmulo de la Telaraña en longitudes de onda milimétricas lo que permitió mirar a través de la mayoría de las gruesas nubes de polvo.

Observaciones reveladas

Los astrónomos realizaron estudios e investigaciones firmes, con respecto a los cúmulos. En este sentido, las observaciones revelaron que, comparado con el cielo circundante, se habían determinado cuatro veces más fuentes en la zona de la Telaraña.

Por otra parte, comparando cuidadosamente los nuevos datos con las consideraciones complementarias realizadas en distintas longitudes de onda, pudieron confirmar que muchas de estas fuentes se encontraban a igual distancia que el propio cúmulo de galaxias, esto implica que debía tratarse de partes del cúmulo en formación.

Sin embargo, mientras se realizaba la observación del lugar en el que habían descubierto este foco de nacimiento de estrellas, se llevaron otra sorpresa. Realmente lo que esperaban era encontrar esta región de formación estelar en los grandes filamentos que conectan las galaxias. Pero lo que sucedió fue que la encontraron concentrada en su mayor parte en una sola región, y esa región ni siquiera se encuentra centrada en la Galaxia Telaraña, que sí está en el centro del protocúmulo.

Vía Láctea pertenece a un súper cúmulo mayor

Nuestro planeta se encuentra ubicado específicamente en la galaxia de la Vía Láctea, en el que conforme a los estudios se ha sugerido que nuestra galaxia realmente pertenece a un súper cúmulo que es mucho mayor. La razón es que pertenecemos a un súper cúmulo 100 veces más grande de lo que se pensaba anteriormente. Este análisis  fue elaborado por un equipo de astrónomos que bautizó al súper cúmulo como Laniakea.

Laniakea es un súper cúmulo de galaxias que incluye a la Vía Láctea. Su tamaño es 100 veces más grande en volumen y masa de lo que se tenía previsto con anterioridad. Los astrónomos que realizaron dicho descubrimiento, han mapeado la enorme región y le han colocado como nombre Laniakea, por su significado hawaiana que es el de “cielo inmenso”.

Lo que sucede en el espacio es que las galaxias suelen acercarse, hasta formar grupos llamados cúmulos. Además de esto, las regiones donde estos cúmulos están densamente poblados se conocen como “súper cúmulos”. Pero la definición de estas masivas estructuras cósmicas es poco precisa. Este novedoso estudio, es el que describe una nueva forma para definir dónde termina un súper cúmulo y comienza el otro.

Velocidad cósmica

El equipo que descubrió a este super cúmulo, utilizó una base de datos que reúne las velocidades de 8mil galaxias, que son calculadas luego de sustraer la velocidad media de la expansión cósmica. Dichas desviaciones se deben al tirón gravitatorio que sienten las galaxias alrededor de ellas, el que proviene de la masa. Los estudiosos utilizaron un algoritmo para traducir estas velocidades en un campo tridimensional del flujo y densidad de galaxias.

Los astrónomos afirman que aun no se ha podido afirmar tener una buena comprensión de la cosmología si no pueden explicar este movimiento. Este es un método que es mejor que solo mapear la ubicación de la materia. Y la razón es que permite a los científicos construir un mapa de regiones no estudiadas del Universo, conforme a lo que indican los astrofísicos del Observatorio de Valongo, parte de la Universidad Federal de Río de Janeiro. El método depende de detectar la influencia de las galaxias en lugar de verlas directamente.

Por otra parte, los movimientos de las galaxias logran reflejar la distribución de toda la materia y esto no es solo con la que es visible con los telescopios del equipo investigador, incluyendo la materia oscura. Restando la expansión cósmica, su mapa muestra líneas de flujo que las galaxias siguen bajo el efecto de la gravedad en su región local.

Conforme a lo indicado, el equipo define el borde de los súper Cúmulos como el límite en que estas líneas de flujo se dividen. En un lado de la línea, las galaxias se mueven hacia un centro gravitacional; más allá, se mueven hacia otro. Los estudiosos lo describen como el agua que se separa frente a una línea divisoria, donde fluye ya sea hacia la izquierda o la derecha desde un terreno alto.