Un observatorio de rayos X encuentra el material intergaláctico perdido
Solo un 5% de nuestro universo está constituido por materia ‘ordinaria’, la que supuestamente conocemos, pero incluso este pequeño porcentaje es difícil de rastrear. Hace décadas que los astrónomos buscan donde se esconden en el cosmos más de la mitad de los bariones, partículas como los neutrones y protones, y con la ayuda del detector espacial XMM-Newton de rayos X los han encontrado: en el ardiente gas intergaláctico.
El gas intergaláctico constituye la mayor parte de la materia ordinaria del cosmos que, a su vez, tan solo representa el 5% del total del universo. / ESA
Las misteriosas energía y materia oscuras constituyen, respectivamente, el 70% y el 25% del universo. El resto, la materia común que compone todo lo que vemos, desde las estrellas y galaxias hasta los planetas y nosotros mismos, representa tan solo un 5%.
Los astrónomos han calculado que ese es el porcentaje de materia ordinaria, formada básicamente por bariones (partículas con tres quarks como los neutrones y protones), a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, la luz más antigua en la historia del cosmos originada unos 380.000 años después del Big Bang.
Los bariones perdidos estaban en el gas intergaláctico caliente que constituye cerca del 40% de la materia ordinaria
Las observaciones de galaxias muy distantes permiten seguir la evolución de esta materia durante el primer par de miles de millones de años del universo. Sin embargo, justo después más de la mitad desaparece.
"Los bariones perdidos son uno de los mayores misterios de la astrofísica moderna", explica Fabrizio Nicastro, autor principal de un estudio publicado esta semana en Nature y en el que se ofrece una solución al problema. "Sabemos que esta materia debe estar ahí fuera, la vemos en el universo temprano, pero luego la perdemos de vista. ¿Adónde se fue?".
Se estima que las estrellas y el gas interestelar frío –su materia prima– que impregna las galaxias no alcanzan el 10% de la materia común. Sumando el gas caliente difuso de los halos que rodean las galaxias y el todavía más caliente que rellena los cúmulos galácticos –las estructuras cósmicas más grandes que se mantienen unidas por la gravedad–, el porcentaje no llega al 20%.
Esta pequeña proporción no debe sorprender. Las estrellas, galaxias y los cúmulos galácticos se forman en los nudos más densos de la red cósmica, ese entramado de filamentos de materia oscura y ordinaria que se extiende por todo el universo. Aunque estas zonas son densas, también son raras, por lo que no son los mejores sitios para encontrar la mayor parte de la materia cósmica.
En busca de los bariones perdidos
Los astrónomos pensaron entonces que los bariones ‘desaparecidos’ debían estar en los ubicuos filamentos de la red cósmica, donde, sin embargo, la materia es menos densa, y por tanto, más difícil de observar. Utilizando diferentes técnicas, pudieron localizar una buena porción de este material intergaláctico, principalmente sus componentes fríos y cálido (gas a cientos de miles de grados), elevando el porcentaje total a un respetable 60%, pero dejando el misterio general sin resolver. ¿Dónde está el otro 40%?
El descubrimiento se realizó utilizando observaciones de un cuásar distante, una galaxia con un agujero negro supermasivo que devora materia y brilla
Fabrizio y muchos otros astrónomos de todo el mundo han seguido las huellas de los bariones restantes durante casi dos décadas, desde que los observatorios de rayos X como XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica.
Observando en esa franja del espectro electromagnético, fue cuando pudieron detectar gas intergaláctico realmente caliente, con temperaturas de alrededor de un millón de grados o más, que estaba bloqueando los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.
Para este estudio, los autores utilizaron XMM-Newton para observar un cuásar, una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en su centro que devora activamente materia y brilla intensamente desde los rayos X hasta las ondas de radio. Analizaron este cuásar, cuya luz tarda más de 4.000 millones de años en llegar a nosotros, durante 18 días entre 2015 y 2017, en lo que se convirtió en la observación de rayos X más larga jamás realizada de esta fuente.
Los astrónomos han utilizado el observatorio espacial XMM-Newton (abajo a la derecha) para encontrar el componente caliente del medio intergaláctico (en verde) observando un lejano cuásar (arriba a la izquierda). / ESA et al.
"Después de examinar los datos, logramos encontrar la señal del oxígeno en el gas intergaláctico caliente entre nosotros y el cuásar, en dos puntos diferentes a lo largo de la línea de visión", dice Fabrizio."Esto está sucediendo porque hay enormes reservas de material, incluido oxígeno, depositado allí, y justo en la cantidad que esperábamos, por lo que finalmente podemos completar el hueco que faltaba en el conjunto de bariones del universo".
Comienzan nuevas búsquedas
Este extraordinario resultado supone el comienzo de una nueva búsqueda. Se necesitarán nuevas observaciones de diferentes fuentes astronómicas para confirmar si estos hallazgos son verdaderamente universales, y para investigar más a fondo el estado físico de este material tan largamente buscado.
Fabrizio y sus colegas se plantean ahora estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra en los próximos años. Sin embargo, para explorar completamente la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico cálido-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena), que la ESA tiene previsto lanzar en 2028.
Para los próximos pasos en este campo se necesitará la mayor sensibilidad del telescopio Athena
"El descubrimiento con XMM-Newton de los bariones desaparecidos es un primer paso emocionante para caracterizar completamente las circunstancias y estructuras en las que se encuentran estas partículas", dice la coautora Jelle Kaastra del Instituto Holandés de Investigación Espacial.
"Para los próximos pasos necesitaremos la sensibilidad mucho mayor de Athena –añade–, que tiene como uno de sus objetivos principales el estudio del medio intergaláctico cálido-caliente, con lo que mejoraremos nuestra comprensión de cómo crecen las estructuras en la historia del universo".
"Estamos orgullosos de que XMM-Newton haya descubierto la señal débil de este evasivo material, escondido en una niebla caliente de un millón de grados que se extiende por el espacio intergaláctico a lo largo de cientos de miles de años luz", destaca Norbert Schartel, uno de los científicos que trabaja con este telescopio en la ESA, quien concluye: "Ahora que sabemos que estos bariones ya no están perdidos, no podemos esperar para estudiarlos con gran detalle".
Referencia bibliográfica:
F. Nicastro et al. “Observations of the missing baryons in the warm–hot intergalactic medium”. Nature, 2018. DOI: 10.1038/s41586-018-0204-1
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