Qué son los cúmulos de galaxias: definición y ejemplos
Los cúmulos de galaxias son grandes conjuntos de galaxias vinculadas por la gravedad. Están formados por cientos o incluso miles de galaxias y por múltiples grupos de galaxias, y suelen ser mucho más grandes y masivos que estructuras menores como nuestro Grupo Local. Más allá de las galaxias que podemos ver, la mayor parte de la masa de un cúmulo corresponde a materia oscura y a una gran reserva de gas caliente entre las galaxias.
Los cúmulos de galaxias no deben confundirse con los cúmulos estelares, que están dentro de las galaxias, ni con los cúmulos globulares, que suelen orbitar alrededor de las galaxias. Mientras que los cúmulos estelares y globulares contienen estrellas y se miden en decenas o cientos de parsecs, los cúmulos de galaxias abarcan millones de parsecs y contienen componentes muy distintos: galaxias, gas extremadamente caliente y materia oscura.
Características principales
- Número de miembros: contienen desde cientos hasta miles de galaxias, incluyendo tanto galaxias gigantes elípticas como espirales.
- Masa: típicamente del orden de 1014–1015 masas solares; la mayor parte de esa masa es materia oscura.
- Medio intracúmulo (ICM): gas ionizado muy caliente (107–108 K) que emite rayos X y contiene metales sintetizados en estrellas.
- Tamaño físico: del orden de unos pocos megapársecs (Mpc), con radio típico de 1–3 Mpc para cúmulos ricos.
- Efectos observable: producen lentes gravitacionales fuertes y débiles que permiten medir su masa; además alteran la radiación de fondo (efecto Sunyaev–Zel'dovich).
Formación y evolución
Los cúmulos se forman por acreción jerárquica: pequeñas estructuras se fusionan y crecen con el tiempo para dar lugar a cúmulos más grandes. Este proceso continúa hoy en día; muchos cúmulos muestran signos de fusiones recientes (choques entre cúmulos) que generan ondas de choque en el gas intracúmulo y pueden acelerar partículas a altas energías. A escalas aún mayores, los cúmulos se sitúan en nodos de la «red cósmica» o cosmic web, conectados por filamentos de galaxias y gas y agrupados en supercúmulos.
Cómo se observan y estudian
- Ópticamente: identificación por concentración de galaxias y estudios de velocidades para estimar masas dinámicas.
- Rayos X: detección del gas caliente del medio intracúmulo; permite medir temperaturas, densidades y metalicidades.
- Efecto Sunyaev–Zel'dovich (SZ): distorsión de la radiación cósmica de fondo por electrones calientes del cúmulo; útil para detectar cúmulos a gran distancia.
- Lentes gravitacionales: la desviación de la luz de galaxias de fondo permite mapear la distribución de masa, incluyendo la materia oscura.
Ejemplos y relevancia cosmológica
Entre los cúmulos más notables del universo relativamente cercano están el cúmulo de Virgo (que domina el entorno local), el cúmulo de Fornax, el cúmulo de Hércules y el cúmulo de Coma. Estos cúmulos sirven como laboratorios para estudiar la formación y evolución de las galaxias en ambientes densos.
Aún más grandes que los cúmulos son los supercúmulos. Un agregado muy grande de galaxias conocido como el Gran Atractor, dominado por el cúmulo de Norma, es lo suficientemente masivo como para afectar a la expansión local del universo y a los flujos peculiar de galaxias (una desviación local respecto a la ley de Hubble).
En el universo lejano se han descubierto cúmulos muy masivos y con alto desplazamiento al rojo; un ejemplo es SPT-CL J0546-5345, uno de los cúmulos más masivos detectados en el universo primitivo. El estudio de cúmulos a distintas épocas cósmicas permite constriñir modelos cosmológicos, la historia de formación de estructuras y la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura.
Importancia práctica
Los cúmulos de galaxias son herramientas clave en cosmología: la abundancia y distribución de cúmulos en función de la masa y el tiempo proporcionan restricciones sobre parámetros cosmológicos (por ejemplo, la densidad de materia y la amplitud de las fluctuaciones primordiales). Además, observaciones de cúmulos en múltiples longitudes de onda (óptico, rayos X, microondas y radio) ofrecen una visión completa de la física del gas, la formación estelar y las interacciones entre galaxias en entornos extremos.
En resumen: los cúmulos de galaxias son los mayores sistemas ligados por gravedad en el universo, compuestos por galaxias, gas caliente y materia oscura. Estudiarlos ayuda a entender tanto la evolución de las galaxias como las propiedades fundamentales del propio universo.
Cúmulo de galaxias ACO 3341.
El cúmulo de galaxias maduras más lejano, tomado con el Very Large Telescope de ESO en Chile y el telescopio Subaru de NAOJ en Hawai.
Propiedades básicas
Los cúmulos de galaxias suelen tener las siguientes propiedades.
- Contienen entre 50 y 1.000 galaxias, gas caliente emisor de rayos X y grandes cantidades de materia oscura. Los detalles se describen en la sección "Composición".
- La distribución de estos tres componentes es aproximadamente la misma en la agrupación.
- Tienen masas totales de 10 14a 10 15masas solares.
- Suelen tener un diámetro de 2 a 10 megaparsecs.
- La dispersión de las velocidades de las galaxias individuales es de unos 800-1000 km/s.
- El medio intracluster o ICM tiene gas entre las galaxias con una temperatura de 7-9 keV.
Composición
Hay tres componentes principales de un cúmulo de galaxias. Son:
| Nombre de los componentes | Fracción de masa | Descripción |
| Galaxias | 1% | En las observaciones ópticas sólo son visibles las galaxias |
| Gas entre las galaxias, dentro del cúmulo | 9% | El plasma entre las galaxias a alta temperatura - emite radiación de rayos X |
| Materia oscura | 90% | Componente más masivo, no se puede ver, se infiere por las interacciones gravitacionales |
Escala de cosas
Donde ">" significa "contiene":
Universo > universo observable > estructuras a muy gran escala > supercúmulos > grupos de galaxias > galaxias > cúmulos estelares > estrellas
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué son los cúmulos de galaxias?
R: Los cúmulos de galaxias son grandes conjuntos de galaxias unidas por la gravedad.
P: ¿Cuántas galaxias hay en un cúmulo de galaxias típico?
R: Los cúmulos de galaxias típicos están formados por cientos de galaxias y grupos de galaxias.
P: ¿Cómo se comparan los cúmulos de galaxias con los grupos de galaxias?
R: Los cúmulos de galaxias son mucho más grandes que los grupos de galaxias, como nuestro Grupo Local.
P: ¿Qué es el Cúmulo de Virgo?
R: El Cúmulo de Virgo es un cúmulo de galaxias notable, que incluye a nuestro Grupo Local.
P: ¿Qué es el Gran Atractor?
R: El Gran Atractor es una agregación muy grande de galaxias dominada por el Cúmulo de Norma, que es lo suficientemente masivo como para afectar a la expansión local del universo.
P: ¿Qué es SPT-CL J0546-5345?
R: SPT-CL J0546-5345 es el cúmulo de galaxias más masivo jamás encontrado en el universo primitivo.
P: ¿Cuál es la diferencia entre los cúmulos de galaxias y los cúmulos globulares?
R: Los cúmulos de galaxias son grandes conjuntos de galaxias, mientras que los cúmulos globulares suelen orbitar alrededor de galaxias.
