COSMOS-z3.1-A muestra el nacimiento de las mayores estructuras del universo

COSMOS-z3.1-A es una ventana excepcional a un proto-supercúmulo: el antepasado temprano de lo que, con el tiempo, puede convertirse en un «cúmulo de cúmulos» de galaxias. Los astrónomos lo observan en una época en la que el universo tenía apenas unos 2.100 millones de años. Su masa actual se estima en unas 5.000 veces la de la Vía Láctea y los modelos indican que podría evolucionar hasta formar un sistema más masivo que el cúmulo de Coma, uno de los grandes cúmulos del universo cercano. Esa masa futura es una estimación basada en la sobredensidad observada y en modelos de crecimiento cósmico; no es una medición directa de su estado final. 15

Un raro «cúmulo de cúmulos» en formación

El equipo internacional identificó COSMOS-z3.1-A como el progenitor más lejano conocido de un supercúmulo de galaxias. No se trata solo de un protocúmulo —una agrupación temprana destinada a convertirse en cúmulo—, sino de una estructura aún más infrecuente: un proto-supercúmulo, compuesto por varios componentes que previsiblemente darán lugar a un conjunto de cúmulos masivos. 7

La estructura no tiene el aspecto uniforme y asentado de un cúmulo maduro. Es irregular y está formada por varios núcleos densos. Estos se encuentran en una región extraordinariamente sobredensa, donde se cruzan filamentos de la red cósmica, la vasta trama de materia que conecta galaxias y cúmulos a escalas gigantescas. Las extensiones semejantes a filamentos parecen enlazar los núcleos y aportarles materia. 14

Las estimaciones de la masa de sus descendientes sugieren que COSMOS-z3.1-A y COSMOS-z3.1-C podrían superar, al llegar al universo actual —lo que en cosmología se denomina corrimiento al rojo cero—, la masa del cúmulo de Coma. El estudio calcula masas descendientes de al menos (10^{15,3}) masas solares para estos sistemas extremos. 1

De una concentración en el cielo a un mapa en tres dimensiones

El descubrimiento comenzó con el sondeo ODIN, diseñado para localizar protocúmulos a gran distancia mediante galaxias emisoras de Lyman-alfa, cuya señal sirve como trazador de las regiones donde se concentra materia. En el campo COSMOS, ODIN empleó imágenes de banda estrecha obtenidas con la Cámara de Energía Oscura (DECam) para detectar concentraciones de galaxias a un corrimiento al rojo de 3,1. 335

Pero que las galaxias parezcan cercanas en una imagen no demuestra que formen una estructura real: podrían estar separadas en profundidad. Para resolverlo, el equipo combinó esas observaciones con espectros obtenidos por el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), el instrumento GMOS de Gemini Sur y DEIMOS, instalado en el telescopio Keck II. Las mediciones de corrimiento al rojo permitieron reconstruir la distribución tridimensional de las galaxias y revelar tanto los núcleos densos como su entorno a gran escala. 135

Este método también hizo visibles los filamentos a través de la distribución de las galaxias que los trazan. El resultado no es, por tanto, una simple lista de galaxias lejanas: es un mapa de un entorno cósmico en pleno desarrollo. 1

Una evidencia de crecimiento cósmico «de abajo arriba»

El modelo cosmológico actual describe la formación de estructuras como un proceso jerárquico: primero aparecen concentraciones menores de materia; después se fusionan y atraen más material, hasta formar sistemas cada vez mayores. COSMOS-z3.1-A encaja con ese escenario porque contiene varios componentes en desarrollo, inmersos en una red de filamentos, y no un único cúmulo ya consolidado. 17

Su posición aparente en los cruces de filamentos es especialmente relevante. Esos canales pueden conducir materia y galaxias hacia los nodos más densos de la red cósmica, favoreciendo que los distintos componentes de un proto-supercúmulo se conviertan en un sistema mucho más masivo con el paso del tiempo. La observación ofrece así un ejemplo muy temprano de la etapa intermedia entre protocúmulos menores y los mayores sistemas de cúmulos que se ven en el universo cercano. 14

Qué relación tiene —y cuál no— con las «estrellas ocultas» de JWST

COSMOS-z3.1-A aborda el crecimiento de los entornos a gran escala: regiones ricas en materia oscura, grupos de galaxias, filamentos y protocúmulos. Un resultado independiente del telescopio espacial James Webb (JWST) se centra, en cambio, en las poblaciones estelares dentro de galaxias tempranas individuales.

En ese estudio con JWST, investigadores analizaron nueve galaxias masivas del universo temprano y encontraron indicios de una cantidad mucho mayor de estrellas débiles y de baja masa de la que se suponía. Como estas estrellas aportan masa, pero emiten muy poca luz, algunas estimaciones de masa estelar podrían ser entre tres y cuatro veces superiores a las anteriores; el caso más extremo se acercó a un factor de cuatro. 192027

Los dos hallazgos se complementan, pero uno no explica por completo al otro. Un proto-supercúmulo alimentado por filamentos ofrece un entorno plausible para el ensamblaje rápido de galaxias, mientras que una población estelar dominada por estrellas pequeñas modifica la cantidad de masa estelar que puede permanecer oculta dentro de algunas de ellas. Explicar tanto la rápida acumulación de entornos densos como la mezcla precisa de estrellas en sus galaxias sigue siendo uno de los grandes retos para los modelos del universo temprano. 11722

El próximo paso: mapas más amplios con Rubin

El Observatorio Vera C. Rubin ha comenzado el Legacy Survey of Space and Time (LSST), un gran estudio del cielo que realizará imágenes profundas y extensas de manera repetida. Su primera entrega de datos de carácter científico con la cámara LSST incluyó observaciones profundas del campo COSMOS. 3336

Las imágenes amplias y profundas de Rubin pueden ayudar a detectar más candidatas a sobredensidades de alto corrimiento al rojo en grandes zonas del cielo. Sin embargo, la espectroscopia seguirá siendo indispensable: proporciona los corrimientos al rojo precisos necesarios para distinguir un proto-supercúmulo tridimensional real de galaxias que solo parecen estar juntas en una imagen bidimensional. El trabajo de ODIN con COSMOS-z3.1-A ilustra la potencia de combinar imágenes de gran campo con espectroscopia extensa y dirigida. 13