Desafiando la Sabiduría Convencional - Astrónomos Descubren la Doble Naturaleza de los Grupos y Cúmulos de Galaxias

Una investigación dirigida por la Universidad de Tartu revela distinciones más profundas entre los grupos y cúmulos de galaxias de lo que se entendía anteriormente, identificando dos clases únicas con sus propios procesos de formación y evolución. Este estudio, enfocado en la red cósmica, avanza nuestro conocimiento de la dinámica del sistema de galaxias y el impacto de sus entornos.

Una creencia común entre los astrónomos es que los grupos y cúmulos de galaxias difieren principalmente en el número de galaxias que contienen: hay menos galaxias en los grupos y más en los cúmulos. Dirigidos por Maret Einasto, los astrónomos del Observatorio de Tartu de la Universidad de Tartu decidieron investigar esto y descubrieron aún más diferencias entre los grupos y los cúmulos.

La estructura del Universo puede describirse como una gigantesca red, una red cósmica, con cadenas (filamentos) de galaxias individuales y pequeños grupos de galaxias que conectan ricos grupos de galaxias y cúmulos que pueden contener miles de galaxias. Entre los sistemas de galaxias, existen gigantescos vacíos con casi ninguna materia visible (galaxias y gas). Los grupos y cúmulos de galaxias pueden, a su vez, formar sistemas aún más grandes llamados supercúmulos.

En su estudio, los astrónomos de Tartu utilizaron datos sobre grupos de galaxias, sus galaxias más brillantes (las llamadas galaxias principales) y sus alrededores. El objetivo era combinar estos datos para ver si podían proporcionar nueva información sobre la posible clasificación de grupos de diferentes tamaños.

El estudio mostró que los grupos y cúmulos de galaxias pueden dividirse en dos clases con propiedades bastante diferentes. Los procesos físicos que influencian la formación y evolución de las galaxias principales en grupos y cúmulos difieren en grupos ricos y pobres. En el trabajo, los investigadores describieron el entorno de los grupos de dos maneras diferentes. En primer lugar, describieron la red cósmica en términos del campo de densidad general, con supercúmulos como las regiones de alta densidad más grandes y los vacíos como las regiones de baja densidad. En segundo lugar, calcularon la distancia desde el eje del filamento más cercano para cada grupo de galaxias. Esta distancia muestra si el grupo está en un filamento, cerca o lejos de los filamentos.

Cada círculo de color representa un grupo o cúmulo de galaxias. Los cúmulos de galaxias más ricos están marcados en rojo; estos son los cúmulos de galaxias más ricos en los supercúmulos de Hércules y Leo. Los paneles laterales muestran las galaxias más brillantes de estos cúmulos desde la Base de Datos Digital Sloan. Los círculos amarillos, verdes y azules representan grupos de galaxias, desde los más brillantes hasta los más débiles. Crédito: Maret Einasto

Los investigadores dividieron las galaxias principales de los grupos de galaxias en galaxias sin formación de estrellas activa (estas galaxias son predominantemente rojas) y aquellas donde la formación de estrellas está actualmente activa (las estrellas jóvenes le dan a estas galaxias su color azul). Sin embargo, también encontraron galaxias rojas en formación de estrellas entre las galaxias principales de los grupos.

Al comparar las propiedades de las galaxias principales en grupos de diferentes luminosidades (o riquezas), se encontró que los grupos se dividen en dos clases principales: grupos de alta luminosidad y cúmulos, en los que casi todas las galaxias principales son galaxias rojas sin formación de estrellas, y grupos pobres de baja luminosidad, que pueden tener, además de aquellas sin formación de estrellas activa, también galaxias azules o rojas en formación de estrellas como galaxias principales.

Las diferencias entre los grupos y los cúmulos no se limitan a la luminosidad: cada muestra puede dividirse en dos basándose en una característica. Además, se descubrió que todos los grupos y cúmulos de galaxias de alta luminosidad están ubicados en filamentos en regiones de alta densidad. Todos los cúmulos más brillantes y ricos se encuentran en filamentos en supercúmulos. En contraste, los grupos de galaxias de baja luminosidad y las galaxias individuales se pueden encontrar en todas partes en la red cósmica, incluyendo en regiones de baja densidad - en vacíos, ubicados en filamentos dispersos, o incluso bastante lejos de los filamentos. Curiosamente, en los supercúmulos, la luminosidad de los grupos de galaxias pobres con el mismo número de miembros es mucho más alta que fuera de los supercúmulos.

El estudio mostró que las propiedades dinámicas de los grupos ricos con galaxias principales que ya no están formando estrellas también difieren de las de los grupos con galaxias principales con formación de estrellas activa. En los primeros, las galaxias principales están ubicadas principalmente en el centro del grupo o cúmulo, mientras que las galaxias principales en formación de estrellas pueden estar bastante lejos del centro del grupo. Los astrónomos descubrieron que la relación entre las dispersiones de velocidad estelar de las galaxias principales y las dispersiones de velocidad del grupo, conocida a partir de estudios previos, no se cumple en el caso de los cúmulos muy ricos, especialmente en los cúmulos con galaxias principales que no están formando estrellas.

Describing the properties of the structure of the Universe and how they form and evolve is one of the fundamental tasks of cosmology. The results extend our understanding of the formation and evolution of galaxy groups and clusters and their main galaxies in the cosmic web. Rich galaxy clusters can only form in regions where the overall density of matter is sufficiently high and where there is plenty of gas necessary for star formation. In such regions, rich clusters can be joined by other (equally rich) groups and clusters. In low-density regions (the currently void areas), only rather poor groups can form, which are located quite far apart, and thus, there are few mergers.

The research results also suggest that the physical processes influencing the formation and evolution of the main galaxies in groups and clusters are different in rich and poor groups. The evolution of single galaxies and main galaxies in small groups is mainly influenced by processes in and around their dark matter haloes; the impact of other galaxies and more distant surroundings (galaxy group mergers, etc.) is important primarily in rich clusters. Our study also underlined the importance of galaxy superclusters as a unique environment for the formation and evolution of galaxies and galaxy systems.

In researching galaxies and galaxy groups, the next step of the working group will be using the new observational data, including data on very faint galaxies. Tartu Observatory participates in a number of such observation programs.

Reference: “Galaxy groups and clusters and their brightest galaxies within the cosmic web” by Maret Einasto, Jaan Einasto, Peeter Tenjes, Suvi Korhonen, Rain Kipper, Elmo Tempel, Lauri Juhan Liivamägi and Pekka Heinämäki, 22 January 2024, Astronomy & Astrophysics. DOI: 10.1051/0004-6361/202347504

Funding: Alfred P. Sloan Foundation, U.S. National Science Foundation, U.S. Department of Energy, National Aeronautics and Space Administration, the Japanese Monbukagakusho, Max Planck Society, Higher Education Funding Council for England, ICRAnet through a professorship for Jaan Einasto, Vilho, Yrjö and Kalle Väisälä Foundation, Estonian Research Council