Movimiento de gas en el cúmulo de galaxias del Centauro desafía las suposiciones sobre la formación de estrellas

Kokoro Hosogi, estudiante de física de la Universidad de Alabama en Huntsville (UAH), ha conseguido un honor poco común para una estudiante de grado: sus contribuciones están siendo reconocidas en un estudio publicado en la revista Nature. La investigadora apoyó recientemente la Misión de Imágenes y Espectroscopia de Rayos X (XRISM) que estudia los objetos celestes de rayos X para ayudar a esclarecer por qué el gas en el núcleo del cúmulo de galaxias Centaurus, a unos 170 millones de años luz de distancia, no está generando nuevas estrellas jóvenes tan rápidamente como se predijo, un descubrimiento con importantes implicaciones en la evolución de los cúmulos de galaxias.

XRISM es un telescopio de rayos X de vanguardia, una iniciativa conjunta entre la NASA, la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA) y la Agencia Espacial Europea (ESA), que se lanzará en septiembre de 2023. La iniciativa se centró en una región del espacio conocida como el Medio Intracúmulo o ICM. Se trata de una zona de plasma caliente y difuso que llena el espacio entre las galaxias dentro de un cúmulo de galaxias, compuesta de hidrógeno ionizado, helio, elementos pesados ​​y electrones, detectable a través de su fuerte emisión de rayos X debido a su alta temperatura.

«Hay un viejo problema en los cúmulos de galaxias», explica el Dr. Ming Sun, profesor de física y astronomía en la UAH, que es el mentor de Hosogi, así como el único científico del estado de Alabama que participa en la colaboración XRISM. Tanto Hosogi como el Dr. Sun son coautores del artículo de Nature. «El núcleo de muchos cúmulos es muy brillante en rayos X, por lo que se espera que con el tiempo haya mucho gas enfriado para formar estrellas, pero se ven pocas estrellas jóvenes allí».

Este fenómeno se conoce como el «problema del flujo de enfriamiento» en astronomía, en referencia a la discrepancia entre la velocidad prevista a la que debería enfriarse el gas caliente en el centro de los cúmulos de galaxias y la tasa mucho menor observada de formación de estrellas en esas regiones, lo que sugiere que la mayor parte del gas que se enfría en realidad no está formando estrellas.

Se ha pensado que la discrepancia se debe a mecanismos de retroalimentación de los núcleos galácticos activos (AGN), una región muy brillante y compacta en el centro de una galaxia, alimentada por un agujero negro supermasivo que está acumulando materia activamente, lo que a su vez recalienta el gas, evitando que se enfríe demasiado rápido.

Sin embargo, en el caso del cúmulo Centaurus, «el nuevo estudio muestra que el núcleo central denso de rayos X no está quieto», señala Sun. «En cambio, puede moverse, o ‘chapotear’, alrededor del fondo del pozo de potencial gravitacional. Este movimiento de chapoteo evita la acumulación excesiva de gas enfriado en el centro. También puede redistribuir la energía inyectada por el AGN central y traer energía térmica del ICM circundante.

«El avance clave se produjo a través de un nuevo instrumento en XRISM llamado Resolve que proporciona espectroscopia de rayos X de alta resolución para revelar el movimiento en masa del gas caliente, que era completamente desconocido antes, así como el movimiento turbulento del gas caliente».

Añadiendo otro hombro a la rueda

«Movimiento en masa» se refiere a flujos organizados de gas a gran escala dentro de un cúmulo, causados ​​principalmente por fuerzas gravitacionales o procesos a gran escala como fusiones. En contraste, el movimiento turbulento se caracteriza por movimientos caóticos, irregulares y de menor escala, como remolinos dentro del gas, a menudo impulsados ​​por inestabilidades y disipación de energía.

El estudio del cúmulo implicó la recopilación de datos de observación recopilados por el instrumento Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), que está montado en El Very Large Telescope (VLT) operado por el Observatorio Europeo Austral. Los datos proporcionan una imagen espectroscópica detallada que captura tanto la intensidad de la luz como la información de la longitud de onda en un amplio campo de visión, lo que permite a los astrónomos estudiar la composición química y la dinámica de objetos astronómicos distantes con una alta resolución espacial en el campo óptico.

«Como científico invitado en la colaboración XRISM, puedo traer a un estudiante o un posdoctorado», dice Sun. «Kokoro tiene un promedio de notas casi perfecto y también ha desarrollado la capacidad de resolver problemas y depurar errores sin buscar la ayuda de miembros más experimentados. Es importante que los estudiantes desarrollen esa característica para ganar confianza.

«Para el proyecto Centaurus, Kokoro redujo los datos VLT/MUSE y yo analicé más los datos MUSE para proporcionar información importante, especialmente sobre la velocidad de la galaxia central que es crucial para limitar el movimiento en masa del gas caliente detectado por XRISM, así como la información de velocidad del gas cálido e ionizado», agrega Sun.

«Por su contribución, pedí incluir a Kokoro en el artículo. Tuvo que pasar por el equipo de liderazgo de XRISM, pero fue aprobado. Sí, es una oportunidad única, pero ella hizo contribuciones importantes al proyecto».

«Estoy cursando una licenciatura en física, con una concentración en astronomía y astrofísica, con el programa de certificación en Ciencias de Datos en la UAH», dice Hosogi, quien ahora trabaja como asistente de investigación con el Dr. Sun. «Mi interés está en las ondas gravitacionales, los conjuntos de cronometraje de púlsares, la cosmología, los agujeros negros y las galaxias».

Originaria de Japón, Hosogi eligió estudiar en la UAH por recomendación de la ex alumna de la UAH Sakurako Kuba, quien también es de Japón. Comenzó a trabajar con Sun en 2023 como estudiante del programa de Investigación y Experiencia Creativa para Estudiantes de Grado (RCEU) y ha continuado su trabajo como especialista estudiantil remunerada en el grupo de Sun desde entonces. Se graduó en diciembre de 2024 y actualmente está solicitando ingreso a escuelas de posgrado en astronomía.

«Estos grandes proyectos pueden tener muchos trabajos detallados, por lo que personas con diferentes antecedentes y en diferentes niveles profesionales pueden hacer una contribución», dice Sun. «Puede ser gratificante involucrar a estudiantes universitarios en investigaciones de vanguardia».

Estos grandes proyectos pueden tener muchos trabajos detallados, por lo que personas con diferentes antecedentes y en diferentes niveles profesionales pueden hacer una contribución», dice Sun. «Puede ser gratificante involucrar a estudiantes universitarios en investigaciones de vanguardia».

Con información de Nature