3.21 Fusiones de cúmulos (colisiones de galaxias)

Inicio ／ Capítulo 3: Universo Macroscópico

Las fusiones de cúmulos —conocidas popularmente como “colisiones de galaxias”— ocurren cuando dos o más cúmulos se atraviesan y luego se reconfiguran. Este capítulo repasa los observables clave y los principales desafíos de interpretación, contrastando dos enfoques: la física contemporánea, anclada en el modelo Lambda de Materia Oscura Fría (ΛCDM) y la Relatividad General, y la Teoría de los hilos de energía (Energy Threads, EFT), que pone en primer plano la Gravedad Tensorial Estadística (STG) y el Ruido de Fondo Tensorial (TBN), y las complementa con el Desplazamiento al rojo del término fuente (TPR) y el Entorno de la trayectoria (PER) como mapeos observacionales.

Dicho en simple: la física contemporánea “añade un actor invisible” —la materia oscura—; la Teoría de los hilos de energía “hace que el piso del escenario” —el paisaje tensorial— responda a los eventos y module el recorrido de la luz y de la materia.

I. Dos enfoques generales (aclarar los términos desde el inicio)

1. Física contemporánea (ΛCDM y Relatividad General)
   • Postula una componente de materia casi sin colisiones e invisible: la materia oscura.
   • Durante la fusión, los halos de materia oscura y las galaxias se atraviesan; el gas caliente colisiona, se frena y se calienta. El resultado es una separación espacial entre los picos de masa inferidos por lente gravitacional y los picos del gas en rayos X.
   • La gravedad obedece a la Relatividad General; simulaciones directas con materia oscura y (magneto)hidrodinámica reproducen señales multibanda (rayos X/efecto Sunyaev–Zel’dovich térmico, radio y lente).
2. Teoría de los hilos de energía (Energy Threads, EFT)
   • Sitúa el Universo temprano y tardío dentro de una mar de energía (Energy Sea, EFT) cuya topografía de Tensión (Tension) y Gradiente de tensión (Tension Gradient) moldea efectos “gravitatorios” de gran escala descritos por la Gravedad Tensorial Estadística (STG).
   • En una fusión, la materia visible inyecta intensidad turbulenta (choques, cizalla, turbulencia) que condiciona la respuesta de la Gravedad Tensorial Estadística y superpone una textura fina debida al Ruido de Fondo Tensorial (TBN).
   • El corrimiento al rojo y la distancia inferidos en la Tierra pueden incluir Desplazamiento al rojo (Redshift) del término fuente y efectos del Entorno de la trayectoria (Path), formalizados como Desplazamiento al rojo del término fuente (TPR) y Entorno de la trayectoria (PER); no todo debe atribuirse de manera única a la geometría de expansión cósmica.

II. Huellas observables y pruebas de estrés (ocho puntos, uno por uno)

Cada punto sigue el esquema «fenómeno/problema → lectura contemporánea → lectura según la Teoría de los hilos de energía», con una prueba concreta cuando sea posible.

1. Desalineación entre masa por lente y rayos X (desfase κ–X)
   • Fenómeno/Problema: En fusiones “tipo bala”, los picos de masa de lente débil/fuerte no coinciden con los picos de brillo/temperatura en rayos X, mientras que los picos de luz de galaxias siguen de cerca la masa. ¿Por qué se separan tanto las estructuras dominadas por la gravedad del gas caliente colisional?
   • Lectura contemporánea: La materia oscura y las galaxias, casi sin colisiones, se atraviesan; el gas colisiona, se calienta y queda rezagado. La separación emerge de manera natural al existir una gran componente de masa sin colisiones.
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: La intensidad turbulenta de la fusión amplifica —con memoria/retardo— el núcleo de respuesta efectivo de la Gravedad Tensorial Estadística a lo largo del eje de fusión, profundizando el “potencial estadístico” donde el gas caliente se desacopla; esto produce un desfase sistemático entre masa y rayos X.
   • Señal comprobable: El desfase debe variar monótonamente con indicadores de intensidad (fuerza del choque, gradiente de índice espectral en radio, dispersión multitemperatura en rayos X) y relajarse con una escala temporal característica tras el cruce central.
2. Arcos de choque y frentes fríos (la violencia del gas caliente)
   • Fenómeno/Problema: Las imágenes en rayos X muestran a menudo arcos de choque (saltos bruscos de temperatura/densidad) y frentes fríos (discontinuidades de contacto muy nítidas). ¿Cómo coexplicar posiciones, intensidades y geometría?
   • Lectura contemporánea: El movimiento relativo convierte energía cinética en energía interna del gas, formando choques; la cizalla y el “revestimiento” magnético configuran los frentes fríos. Los detalles dependen de viscosidad, conducción y supresión magnética.
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: Los choques y la cizalla no solo calientan el gas: actúan como términos fuente que refuerzan localmente la Gravedad Tensorial Estadística; el Ruido de Fondo Tensorial registra la “rugosidad” fuera del equilibrio. Por ello, las normales de los choques tienden a alinearse con el eje principal de la elipticidad por lente, y cerca de los frentes fríos aparecen cuñas de gravedad estadística profundizada.
   • Señal comprobable: Estadísticas de alineación entre la normal del choque y las isolíneas de lente; verificación, a lo largo de la normal del frente frío, de la contabilidad térmica/no térmica frente al incremento de Gravedad Tensorial Estadística.
3. Reliquias de radio y halos centrales (ecos de partículas no térmicas y campos magnéticos)
   • Fenómeno/Problema: Muchas fusiones muestran reliquias de radio muy polarizadas y arqueadas en la periferia, y halos difusos en el centro. ¿Por qué las reliquias coindicen con choques y de dónde surge la eficiencia de aceleración?
   • Lectura contemporánea: Los choques y la turbulencia aceleran electrones (procesos de primer o segundo orden), mientras los campos magnéticos se estiran y amplifican; así, las reliquias trazan los bordes de choque y los halos centrales se asocian a la turbulencia.
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: El Ruido de Fondo Tensorial aporta microoscilaciones con colas no gaussianas, bajando umbrales para la reaceleración. La Gravedad Tensorial Estadística sobrerrelaciona regiones de alta intensidad, por lo que las reliquias se alargan preferentemente a lo largo del eje principal de lente.
   • Señal comprobable: Distribución conjunta de posición y ángulo de polarización de las reliquias respecto del eje principal de lente; capacidad de prever gradientes del índice espectral a partir de indicadores de intensidad y del refuerzo de Gravedad Tensorial Estadística.
4. Morfología: bimodalidad, alargamiento, ángulo de torsión y multipolos
   • Fenómeno/Problema: Los campos de convergencia/cizalla suelen exhibir bimodalidad o alargamiento sobre el eje de fusión, con excentricidad, ángulo de torsión y multipolos de orden superior medibles. Esos “detalles geométricos” son sensibles a la forma del núcleo del modelo.
   • Lectura contemporánea: La geometría surge de la superposición de dos halos de materia oscura; las restricciones fuertes provienen de posiciones relativas, razón de masas e inclinación en la línea de visión.
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: Núcleos anisótropos de Gravedad Tensorial Estadística son más “rígidos” a lo largo del eje de fusión, lo que permite, con una sola familia de núcleos, explicar simultáneamente excentricidad, torsión y la razón de intensidades m = 2/m = 4.
   • Señal comprobable: Reutilizar los mismos parámetros de núcleo en distintos sistemas; si el triplete «excentricidad–torsión–razón de multipolos» se reproduce de forma consistente, la direccionalidad del núcleo gana respaldo.
5. Velocidades bimodales de galaxias miembros y efecto Sunyaev–Zel’dovich cinético (clave para la fase de fusión)
   • Fenómeno/Problema: Los corrimientos al rojo de las galaxias miembros suelen formar dos picos, señal de “tira y afloja”; cuando se detecta, el efecto Sunyaev–Zel’dovich cinético revela flujo global en la línea de visión. El reto central es diagnosticar la fase (precruce, poscruce, roce, retorno).
   • Lectura contemporánea: Se combinan distribuciones de velocidad con la morfología en lente/rayos X y la posición de los choques; se comparan con plantillas numéricas para inferir la fase.
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: A igual geometría, la memoria/retardo ofrece otra vara: poco después del cruce, el desfase lente–rayos X debería ser mayor y luego relajarse lentamente con una escala temporal característica.
   • Señal comprobable: En una muestra, usar en el eje horizontal «separación entre picos de velocidad + posición del choque» y comprobar si el desfase sigue una trayectoria de relajación compacta con un mismo tiempo característico.
6. Cierre energético: cinética → térmica y no térmica (¿cuadran las cuentas?)
   • Fenómeno/Problema: Idealmente, la pérdida de energía cinética en la fusión debe aparecer en canales térmicos (rayos X y Sunyaev–Zel’dovich térmico) y no térmicos (radio). Algunos sistemas discrepan en rendimientos y “energía faltante”.
   • Lectura contemporánea: Las diferencias se atribuyen a microfísica (viscosidad, conducción, supresión magnética, no equilibrio electrón–ion) y a proyección.
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: Tratar esos factores como a priori y exigir que el núcleo efectivo de Gravedad Tensorial Estadística cumpla restricciones de conservación (por ejemplo, perfiles a lo largo de la normal del choque que fijan saltos de energía). Si se requieren grados extra de libertad solo para “absorber” la brecha, el modelo se considera insuficiente, no un “éxito”.
   • Señal comprobable: En un mismo sistema, llevar una contabilidad unificada que ponga en relación la potencia térmica (rayos X + Sunyaev–Zel’dovich térmico) y la potencia no térmica en radio. Si cambiar parámetros del núcleo rompe el cierre energético, hay que re-ajustar.
7. Proyección y desdegeneración geométrica (la trampa del “doble pico aparente”)
   • Fenómeno/Problema: La morfología aparente depende fuertemente del ángulo de visión y del parámetro de impacto; un solo pico puede parecer doble y un desfase puede sobre- o subestimarse. La multimodalidad ayuda, pero no siempre es sencilla.
   • Lectura contemporánea: Se combinan campos de cizalla por lente, perfiles de rayos X/Sunyaev–Zel’dovich térmico y cinemática de galaxias miembros para romper degeneraciones, con apoyo de grandes muestras.
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: Fomentar el modelado directo al nivel de observables: no invertir primero la cizalla en un mapa de masa fijo. Correr en paralelo una cadena «CDM + Relatividad General» y una cadena «Teoría de los hilos de energía (Gravedad Tensorial Estadística + Ruido de Fondo Tensorial)» bajo la misma verosimilitud; comparar mapas de residuos y criterios de información, en lugar de fijar a priori.
   • Señal comprobable: Con la misma cobertura de cielo y el mismo conteo de parámetros, ¿ambas cadenas empujan los residuos al mismo piso?
8. Reproducibilidad entre muestras y coherencia entre escalas
   • Fenómeno/Problema: Tener éxito en un análogo del “Bullet Cluster” no garantiza éxito en sistemas tipo “El Gordo” u otras geometrías. Las inferencias a bajo corrimiento al rojo también deben concordar con patrones del Universo temprano, como el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y las Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO).
   • Lectura contemporánea: Este es un punto fuerte: un mismo marco “materia oscura + gravedad” abarca CMB → BAO → estructura a gran escala → fusiones (pese a debates de detalle).
   • Lectura según la Teoría de los hilos de energía: Asignar al Ruido de Fondo Tensorial la “regla” del Universo temprano y a la Gravedad Tensorial Estadística las respuestas tardías, manteniendo una regla no desplazada desde el origen hasta hoy; reutilizar los mismos hiperparámetros de Gravedad Tensorial Estadística en múltiples sistemas.
   • Señal comprobable: Bloqueo de fase de la “regla” de BAO con el crecimiento medido por lente débil bajo parámetros comunes; transferibilidad de un mismo núcleo entre sistemas.

III. Fortalezas y límites de cada enfoque

1. Física contemporánea (ΛCDM y Relatividad General)
   Fortalezas
   • Existe un cierre entre escalas a grandes rasgos: de los picos acústicos del CMB y la regla de BAO al lente débil y los índices de crecimiento en espacio de corrimientos al rojo, hasta la geometría y la energética de las fusiones.
   • Madurez de ingeniería: el ecosistema N-cuerpos + (magneto)hidrodinámica está consolidado, con manejo estandarizado de parámetros y errores.
   • Explicación intuitiva del desfase: la materia sin colisiones atraviesa; el gas colisiona y se retrasa —una imagen inmediata en los mapas de fusión.

Límites/Desafíos

• Las huellas temporales (retardos/memoria de fase) no son salidas nativas; para reproducirlas, a veces se recurre a ajustes geométricos.
• Casos extremos de dinámica y morfología (velocidades relativas muy altas, combinaciones especiales de multipolos) a veces requieren a priori delicados o curaduría de muestra.
• Sistemáticos microfísicos: viscosidad, conducción, supresión magnética y no equilibrio electrón–ion en el medio intra-cúmulo pueden enredar el “cierre energético” y la estimación del número de Mach.

2. Teoría de los hilos de energía (Energy Threads, EFT)
   Fortalezas
   • Condicionamiento por el evento y memoria: la respuesta gravitacional efectiva crece o decrece con la intensidad y luego se relaja, ofreciendo un relato directo de la evolución del desfase lente–rayos X.
   • Direccionalidad y no localidad: una familia anisótropa de núcleos puede explicar simultáneamente excentricidad, torsión y multipolos; además, predice alineación entre normales de choque y ejes principales de lente.
   • Cadenas de análisis más “neutras” al nivel de observables: comparar directamente mapas de cizalla, perfiles de rayos X/Sunyaev–Zel’dovich y espectros de radio reduce circularidades por a priori rígidos.

Límites/Desafíos

• La transferibilidad debe demostrarse con datos: los mismos parámetros del núcleo deben funcionar en múltiples fusiones para reclamar universalidad.
• Las restricciones duras de energía y de transición deben ser explícitas para evitar que el núcleo efectivo “se coma” sistemáticos con libertad paramétrica excesiva.
• El acople entre escalas sigue en construcción: el Ruido de Fondo Tensorial debe reproducir detalles del CMB y transportar una regla no desplazada hasta BAO; la Gravedad Tensorial Estadística debe cerrar con funciones de dos puntos de lente débil y con el crecimiento bajo parámetros comunes.

IV. Compromisos comprobables

• Desfase y fase: En un sistema dado, ¿el desfase lente–rayos X varía de forma monótona con indicadores de intensidad y muestra relajación poscruce con un tiempo característico?
• Alineación: ¿Las normales de choque y la orientación de las reliquias de radio están significativamente alineadas con el eje principal de lente?
• Cuentas de energía: ¿La potencia térmica (rayos X + Sunyaev–Zel’dovich térmico) y la potencia no térmica (radio) equilibran la pérdida de energía cinética?
• Reutilización de parámetros: ¿Un conjunto fijo de parámetros se mantiene válido en múltiples fusiones?
• Cierre entre escalas: ¿La “regla acústica” se conserva en fase desde el CMB hasta BAO, mientras el lente débil (funciones de dos puntos) y el crecimiento cierran bajo los mismos parámetros?

Síntesis

• Las fusiones de cúmulos son laboratorios naturales para probar la gravedad cósmica y el contenido de materia.
• La física contemporánea y la Teoría de los hilos de energía suelen acomodar los mismos datos, pero parten de filosofías distintas: una centra una masa invisible; la otra, un paisaje dinámico condicionado por el evento.
• La mejor vía no se decide por consignas, sino por desempeño sobre los mismos datos: menos supuestos, menos libertad, reproducibilidad entre muestras y escalas, y cierre energético. Las ocho huellas y las cinco verificaciones anteriores constituyen una lista de control compartida para lectores e investigadores.