A galaxy cluster is a gravitationally bound system containing hundreds to thousands of galaxies.Los cúmulos de galaxias son sistemas ligados gravitatoriamente que cuentan con cientos o miles de galaxias. Están inmersos en un extenso halo de plasma caliente con temperaturas de 10 a 100 millones de grados que emite en rayos X. Aproximadamente el 85% de la masa total corresponde a materia oscura, el 10–12% a gas caliente y solo un pequeño porcentaje a estrellas. Los cúmulos se forman en los nodos de la telaraña cósmica, la estructura a gran escala de la distribución de materia en el Universo.
El cúmulo de Coma fue catalogado por Charles Messier en 1781 como un objeto nebuloso. En 1933, Fritz Zwicky, aplicando el teorema del virial a la dispersión de velocidades de las galaxias de este cúmulo, demostró que la masa dinámica superaba con creces a la visible y propuso el término «materia oscura». En la década de 1970, los satélites de rayos X (Uhuru, Einstein) detectaron gas intergaláctico caliente, que se convirtió en una herramienta importante para estudiar los cúmulos. Para la década de 1980, quedó claro que la componente bariónica (estrellas y gas) era solo una fracción de la masa total, y que la materia oscura era dominante. Vera Rubin ya había confirmado la necesidad de materia oscura a escala galáctica.
El cúmulo se mantiene unido por la gravedad, descrita por la ley de gravitación universal de Newton y la teoría de la relatividad general de Einstein. La dispersión de velocidades de las galaxias (alrededor de 800 km/s) y la temperatura del gas caliente sirven como medida de la profundidad del potencial gravitatorio: la energía cinética de las partículas de gas, del orden de kT, es comparable a la potencial, kT ~ μ m_p σ², donde μ es la masa molecular media y m_p la masa del protón. El gas emite por radiación de frenado y líneas espectrales de iones altamente ionizados (por ejemplo, hierro Fe XXV–XXVI), lo que permite determinar la temperatura y la composición química. Las lentes gravitacionales de galaxias de fondo proporcionan un método independiente para cartografiar la distribución de masa. Las simulaciones cosmológicas (Illustris, Millennium) dentro del modelo de materia oscura fría (ΛCDM) reproducen la formación de cúmulos.
El estudio de los cúmulos permite «pesar» la materia oscura invisible, poner a prueba las teorías de la gravedad y comprender cómo se formó la estructura a gran escala del cosmos.
El cúmulo de galaxias El Gordo (ACT-CL J0102-4915) es el más masivo conocido, con una masa superior a 3 cuatrillones de veces la del Sol.
| b | variable | bias parameter — bias parameter |
| ξ_gal | variable | galaxy two-point correlation function — función de correlación |
| ξ_DM | variable | dark matter two-point correlation function — función de correlación |
| √ | operador | takes the square root of the ratio — raíz cuadrada |
