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Un equipo internacional de
astrónomos logró detectar la atmósfera intra cúmulo caliente más antigua jamás
observada, revelando un enorme reservorio térmico en un cúmulo de galaxias en
formación: el SPT2349-56.El hallazgo desafía los
modelos actuales sobre cómo se formaron y evolucionaron los cúmulos de galaxias
en el Universo temprano.
El estudio, publicado en la
revista Nature, cuenta con la participación del astrónomo Manuel Aravena,
Investigador Asociado del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines - CATA
(Centro Basal de ANID) y académico de la Universidad Diego Portales (UDP), junto
a Manuel Solimano y Ana Posses, quienes durante el desarrollo de esta
investigación fueron estudiantes del CATA y de la UDP.
El trabajo fue liderado por
Dazhi Zhou, candidato a doctorado de la University of British Columbia.
¿Qué es SPT2349-56 y por qué
su hallazgo es relevante?
SPT2349-56 es un proto-cúmulo
de galaxias extremadamente masivo y compacto, observado cuando el Universo
tenía apenas 1.400 millones de años, equivalente al 10% de su edad actual.
Es una de las estructuras más
densas y activas conocidas a tan temprana época cósmica, albergando decenas de
galaxias con intensa formación estelar, junto con varios agujeros negros
supermasivos en rápida fase de crecimiento.
“Lo particularmente relevante
de SPT2349-56 es que representa una fase muy temprana en la formación de los
cúmulos de galaxias, que son los sistemas gravitacionalmente ligados más
grandes del Universo actual.
Hasta ahora, se pensaba que en
estas etapas iniciales el gas intracúmulo aún no estaba suficientemente
caliente ni organizado. Este estudio demuestra que, sorprendentemente, el
cúmulo ya contiene un reservorio masivo de gas caliente, desafiando esa visión
tradicional”, explica Manuel Aravena.
Para dar con este
descubrimiento, el equipo de investigación utilizó el radiotelescopio Atacama
Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), empleando una técnica de
observación poco habitual llamada efecto térmico Sunyaev-Zel'dovich (tSZ), la
cual no detecta la luz emitida por el gas, sino una sutil ‘sombra’ que el gas
caliente produce sobre la radiación fósil del Big Bang: el fondo cósmico de
microondas.
“Este efecto no pierde
intensidad con la distancia, convirtiéndolo en una herramienta única para
estudiar gas caliente, incluso en el Universo muy temprano. La sensibilidad y
resolución de ALMA permitieron, por primera vez, aislar y medir directamente este
efecto en un proto-cúmulo a z>4 (edad muy temprana del Universo), revelando
la presencia de un gas mucho más caliente y energético de lo esperado”, detalla
el Investigador de CATA.
En cuanto a la relación entre
la formación de cúmulos y los procesos energéticos asociados a galaxias y
agujeros negros, Aravena añade que “este estudio refuerza la idea de que la
evolución de los cúmulos y de sus galaxias está profundamente acoplada. En
SPT2349-56 coexisten una intensa formación estelar y múltiples agujeros negros
supermasivos activos, algunos de los cuales emiten potentes chorros de radio”.
Los resultados indican que la
energía liberada por estos agujeros negros puede transferirse de manera muy
eficiente al gas circundante, calentándolo y presurizándolo (aumentando su
presión) antes de que el cúmulo esté completamente formado.
“Estos objetos no solo regulan
la evolución de sus galaxias anfitrionas, sino que también influyen
directamente en el destino térmico del cúmulo completo”, complementa Aravena.
Previo a este descubrimiento,
se asumía que en las primeras épocas cósmicas los cúmulos de galaxias aún eran
demasiado inmaduros para haber desarrollado y calentado completamente su gas
intracúmulo.
No se había detectado directamente ninguna
atmósfera caliente en los cúmulos durante los primeros 3.000 millones de años
de la historia del Universo.
“Los modelos actuales predicen
que, en etapas tan tempranas, los cúmulos deberían contener gas relativamente
frío y poco presurizado, que se va calentando gradualmente a medida que la
estructura crece por acreción gravitacional.
Sin embargo, en SPT2349-56 se
observa un exceso de energía térmica de al menos un orden de magnitud (un
factor 10x) respecto a lo que la gravedad por sí sola puede explicar”, explica
el académico UDP.
La participación de Manuel
Aravena junto a sus estudiantes Manuel Solimano y Ana Posses y el uso del
radiotelescopio ALMA demuestran el impacto científico y formativo del
ecosistema astronómico chileno, especialmente de organizaciones como el CATA y
la UDP.
“Refleja la capacidad de las
instituciones de nuestro país para formar capital humano avanzado que
contribuye activamente a descubrimientos de frontera, en colaboración con
equipos internacionales y utilizando infraestructura de clase mundial como
ALMA.
Es una muestra concreta de cómo la inversión
en formación y colaboración científica genera retornos visibles en la ciencia
de alto impacto”, destaca el astrónomo.
Nuevas líneas de investigación
y próximos pasos
Los resultados de SPT2349-56
sugieren que procesos como la actividad de agujeros negros supermasivos pueden
estar calentando el gas de forma muy eficiente y muy temprana, algo que no está
plenamente incorporado en las simulaciones cosmológicas actuales.
Esto permite que se abran nuevas líneas de
investigación, tanto observacionales como teóricas, enfocadas en entender
cuándo, cómo y cuán común es esta fase de ‘sobrecalentamiento’ en los cúmulos
galácticos más jóvenes.
Aravena menciona que uno de
los principales desafíos será “determinar cuán común es este tipo de gas
caliente en proto-cúmulos del Universo temprano”. Planteando la interrogante de
si, en este caso, se trata de algo excepcional o de una fase breve pero generalizada
en la formación de cúmulos.
“A futuro, será clave combinar
observaciones tSZ con ALMA y experimentos de fondo cósmico, junto con datos del
James Webb Space Telescope (JWST) y rayos X, para trazar la evolución térmica
del gas intracúmulo a lo largo del tiempo cósmico.
En paralelo, los modelos
teóricos deberán incorporar de manera más realista los mecanismos de
retroalimentación energética temprana. SPT2349-56 se convierte así en un
laboratorio único para entender cómo nacen los cúmulos más grandes del
Universo”, concluye el Investigador de CATA.
Enlace a la investigación: https://www.nature.com/articles/s41586-025-09901-3
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Créditos de imágenes: 1. Impresión artística del
cúmulo en formación SPT2349-56: chorros de radio procedentes de galaxias
activas incrustadas en una atmósfera intracluster caliente (rojo), que ilustra
un gran depósito térmico de gas en el cúmulo naciente. Crédito: Lingxiao Yuan.
2. Las imágenes del Hubble
(azul) y del James Webb (verde y rojo) muestran docenas de galaxias activas
agrupadas en el cúmulo infantil SPT2349-56, tal y como se veía cuando el
Universo solo tenía 1400 millones de años. Los contornos superpuestos trazan la
detección por parte del ALMA del efecto térmico Sunyaev-Zel'dovich, revelando
el gas caliente intracúmulo que llena el núcleo del cúmulo infantil. Crédito:
Dazhi Zhou (UBC); HST, JWST (NASA/ESA/CSA) y ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).
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