Científics de l’IAC defineixen les característiques de més de 200 nous cúmuls de galàxies mitjançant els telescopis de La Palma

Un equip internacional liderat pel grup de Cosmologia amb Cúmuls de Galàxies de l’Institut d’Astrofísica de Canàries (IAC), que inclou investigadors de la Universitat de París-Saclay (França) i de l’Institut Max Planck de Física Extraterrestre (Garching, Alemanya) ha finalitzat la caracterització òptica de nous cúmuls de galàxies de l’hemisferi nord, detectats per primer cop pel satèl·lit Planck mitjançant un senyal que s’anomena de Suyaev-Zel’dovich , que expliquem a sota el que és. Aquests estudis permeten determinar amb més precisió la densitat mitjana de matèria a l’univers així com altres paràmetres cosmològics.

Les observacions, que han durat més de quatre anys, s’han realitzat amb els telescopis de l’Observatori Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma) dins de dos projectes internacionals, inclòs un Programa del Temps Internacional. S’han estudiat més de 400 fonts associades a l’emissió de Sunyaev-Zel’dovich i 221 nous cúmuls de galàxies s’han caracteritzat mitjançant fotometria i espectroscòpia, amb el Gran Telescopio Canarias (GTC), el Telescopio Nazionale Galileo (TNG), William Herschel Telescope (WHT) i l’Isaac Newton Telescope (ING), els dos últims que formen l’Isaac Newton Group of Telescopes (ING).

L’efecte Sunyaev-Zel’dovich

L’efecte Sunyaev-Zel’dovich (SZ) és causat per la distorsió de la radiació còsmica de fons(CBR) en direcció a un cúmul de galàxies, a causa d’un mecanisme anomenat efecte Compton invers. Aquest mecanisme es produeix quan els electrons del gas ionitzat i molt calent (a milions de graus de temperatura) dels cúmuls de galàxies interaccionen amb els fotons de la CBR al passar pel cúmul, rebotant-los i fent-los canviar lleugerament d’energia. Els fotons, de mitjana, augmenten la seva energia en ser rebotats per electrons que es mouen molt ràpid, a velocitats pràcticament relativistes, atesa la seva altíssima temperatura. Això provoca una distorsió en l’espectre de la CBR, en què la radiació és desplaçada cap a freqüències més altes quan rebota en els electrons.

Mesurant l’emissió en els mapes del satèl·lit europeu Planck a diferents freqüències, va poder detectar cúmuls de galàxies a través d’aquesta distorsió que produeixen en l’espectre de la CBR. Així es va obtenir un catàleg dels cúmuls de galàxies més massius de l’Univers, a partir d’aquesta nova observació. Tot i això, com que l’efecte SZ no depèn de la distància del cúmul que el produeix, no podem conèixer el desplaçament cap al vermell d’aquests cúmuls, ni per tant la seva distància, només a partir de les observacions de Planck. L’única forma d’identificar-los de manera definitiva és relacionant les fonts SZ de Planck amb altres observacions, identificant els cúmuls que les produeixen a partir d’observacions òptiques de les galàxies que en formen part. Així podem mesurar els desplaçaments cap al vermell d’aquestes galàxies, i deduir-ne les distàncies i les masses dels cúmuls per poder-les utilitzar després per a estudis cosmològics.

En l’última dècada, aquesta tècnica s’ha utilitzat per fer catàlegs de cúmuls de galàxies mitjançant dades de radiotelescopis com el South Pole Telescope (SPT), l’Atacama Cosmology Telescope (ACT) i les dades obtingudes des de l’espai pel satèl·lit Planck. El 2013 i el 2015, el consorci Planck va publicar dos catàlegs, PSZ1 i PSZ2, que inclouen conjuntament gairebé 2.000 fonts detectades a tot el cel.

“Aquests exemples -explica José Alberto Rubiño Martín, astrofísic a l’IAC i PI del projecte- són especialment útils en cosmologia perquè la proporció de cúmuls de galàxies per massa i distància és molt sensible als paràmetres del model cosmològic i proporcionen una manera independent de determinar-los i comparar-los amb altres tècniques (supernoves, el Fons Còsmic de Microones …)”. Moltes de les fonts SZ d’aquests catàlegs coincideixen amb grups ja coneguts. Però un terç d’elles no ho fan, per la qual cosa és necessari validar-les i caracteritzar-les. En aquest context, una contribució important de l’IAC al consorci Planck (ESA) en els darrers anys ha estat la caracterització realitzada des dels telescopis a l’Observatori Roque de los Muchachos de les fonts SZ als catàlegs PSZ1 i PSZ2 que són visibles des de Canàries.

Metodologia

El mètode d’observació va consistir, en primer lloc, en obtenir imatges òptiques profundes en direcció a les fonts SZ, amb les quals va ser possible localitzar les regions amb concentracions de galàxies, obtenir les primeres estimacions de desplaçament cap al roig (z) mitjançant fotometria, i estimar la riquesa dels cúmuls detectats. La validació òptica dels cúmuls com a autèntiques contrapartides a les fonts SZ es va basar en la seva proximitat angular a la posició en el cel de les distorsions SZ catalogades, i en la seva riquesa.

En un segon pas, es van observar els cúmuls mitjançant tècniques d’espectroscòpia d’objectes múltiples, mitjançant els espectrògrafs OSIRIS (GTC) i DOLORES (TNG).

L’OSIRIS (OH-Suppressing Infrared Imaging Spectrograph – Espectrògraf supresor d’OH d’imatges per infrarojos) és un espectrògraf d’infraroig proper instal·lat en el Gran Telescopio Canarias (GTC) que pren espectres en un petit camp de visió per proporcionar una sèrie d’imatges a diferents longituds d’ona. L’instrument permet als astrònoms ignorar longituds d’ona, en les quals l’atmosfera de la Terra brilla a causa de les emissions de molècules d’OH (hidroxil), cosa que li permet la detecció d’objectes 10 vegades més febles que amb els instruments disponibles anteriorment. DOLORES ( Device Optimized for the LOw RESolution), LRS en definitiva, és un espectrògraf de baixa resolució i càmera instal·lat de forma permanent en el Telescopi Nazionale Galileu (TNG). El seu disseny permet realitzar observacions d’imatges i espectroscòpia de baixa resolució.

Es van observar els cúmuls més llunyans (amb z> 0,4) amb el GTC i els cúmuls més propers (z <0,4) amb el TNG. L’espectroscòpia multiobjecte ens permet obtenir les velocitats radials de moltes galàxies dins de cada cúmul. Amb això podem calcular la dispersió d’aquestes velocitats dins d’un cúmul, és a dir, el valor característic de les diferències entre aquestes velocitats, que són les velocitats relatives amb què es mouen les galàxies dins el cúmul, unes respecte les altres. Finalment, podem obtenir les masses dinàmiques dels cúmuls aplicant les lleis de la gravetat de Newton, sabent que les galàxies han d’estar lligades en òrbites dins del cúmul, mantenint-s’hi en equilibri sota l’efecte de l’atracció gravitatòria. Sabem la mida del cúmul, i per tant de les òrbites, i com més gran siguin les velocitats orbitals de les galàxies, més gran és la massa necessària per mantenir-les en aquestes òrbites.

Dit d’una altra manera, les velocitats amb què es mouen les galàxies ens diuen quina massa tenen a les agrupacions que les hostatgen. Atesa la sensibilitat de detecció dels instruments del satèl·lit Planck, només els cúmuls de galàxies més massius, amb masses superiors a unes 100 o 200 bilions (1 o 2 vegades ) masses solars poden produir un efecte SZ detectable i, per tant, ser fonts reals d’aquesta distorsió a l’espectre de la CBR.

“Hem fet un gran esforç d’observació, en què hem explorat 50 graus quadrats de cel i hem obtingut més de 10.000 espectres de galàxies”, explica Alina Streblyanska, astrofísica de l’IAC i del grup de recerca, “i hem posat les dades a l’abast del públic”.

Aplicant aquesta tècnica, s’han estudiat més de 400 fonts SZ amb contrapartides òptiques fins ara desconegudes, que permeten confirmar i caracteritzar 221 nous cúmuls de galàxies. Els objectes restants (al voltant d’un 40% d’aquestes fonts) no mostren contrapartides detectables i es podrien associar amb falses deteccions als mapes SZ de Planck d’emissions amb una relació senyal/soroll baixa.

“Aquest procés de caracterització detallada dels catàlegs és definitiu per definir amb rigor la funció de selecció del satèl·lit Planck en aquests grans mapes del cel en la gamma de microones” – afegeix José Alberto Rubiño -. “Aquest coneixement és fonamental per als estudis cosmològics, per tal que es puguin realitzar amb precisió”.

“Al voltant del 40% de les fonts estudiades mostren una relació gairebé perfecta amb l’emissió tèrmica de pols de la nostra galàxia a la banda de 857 GHz – explica l’investigador de l’IAC i el membre de l’equip Rafael Barrena -, cosa que confirma que la principal font de contaminació amb emissions amb una baixa relació senyal/soroll en l’efecte SZ als mapes de Planck és causada per fonts de fons no gaussianes, principalment relacionades amb l’emissió tèrmica difusa dels núvols de pols de la Via Làctia”.

Els resultats d’aquesta investigació han estat publicats en 6 articles científics a la revista Astronomy & Astrophysics, encapçalats durant aquests últims anys per José Alberto Rubiño (PI), Rafael Barrena i Alina Streblyanska (investigadors postdoctorals) i A. Aguado Barahona (estudiant de doctorat de l’IAC i la ULL).

“Ara, el següent pas és determinar la relació entre les masses dels cúmuls obtingudes mitjançant l’efecte SZ, i les determinades dinàmicament, per estudiar qualsevol biaix en les estimacions entre aquests mètodes. Els nostres estudis previs suggereixen un valor de Msz / Mdyn d’aproximadament 0,9”, afegeix Antonio Ferragamo, que recentment ha completat el seu doctorat a l’IAC en aquesta línia de recerca.

“Si som capaços de determinar aquesta relació amb una precisió del 2% o 3%, podrem millorar la precisió dels paràmetres cosmològics, bàsicament la normalització de l’espectre de potència (σ8), la densitat de massa ordinària (Ωm) i, potser, restringir les masses de les tres famílies de neutrins. Aquest és el nostre objectiu final”, afirma Rubiño.

Segons Rafael Barrena, “aquests resultats podrien donar llum a les discrepàncies entre els resultats de les estimacions de σ8 mitjançant dades de CBR i les d’altres tècniques experimentals, com ara les basades en l’abundància de cúmuls de galàxies”.

Aquesta investigació en cosmologia observacional amb cúmuls de galàxies es complementarà en un futur pròxim amb projectes que ara s’inicien, com el WEAVE Cosmological Cluster Survey (WCC), en coordinació amb l’Observatori Leiden (Països Baixos) i la Universitat de Bolonya (Itàlia), entre d’altres, i el seguiment òptic NIKA2 LPSZ, en col·laboració amb la Universitat de Grenoble-Alps (França).

Altres investigadors de l’IAC que han participat en aquest projecte són Ricardo Génova, Inés Flores, Angela Hempel, Heidi Lietzen, Denis Tramonte i Rafael Rebolo.

Articles externs relacionats:

Barrena et al. (2020) (doc. pdf en anglès): https://arxiv.org/pdf/2004.07913.pdf

Aguado-Barahona et al. (2019) (doc. pdf en anglès): https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2019/11/aa36034-19.pdf

Barrena et al. (2018) (pàg. web en anglès): https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2018/08/aa32315-17/aa32315-17.html

Streblyanska et al. (2019) (doc. pdf en anglès): https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2019/08/aa35674-19.pdf

Streblyanska et al. (2018) (pàg. web en anglès): https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2018/09/aa32306-17/aa32306-17.html

Planck intermediate results. XXXVI (doc. pdf en anglès): https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2016/02/aa26345-15.pdf

Contacte:
Rafael Barrena: rbarrena@iac.es
José Alberto Rubiño: jalberto@iac.es

(Crèdit/ Font: IAC, aaT / iac.es)