Mapa de más de un millón de galaxias para estudiar la energía oscura

Científicos del proyecto internacional SDSS-III han elaborado un mapa tridimensional de 1,2 millones de galaxias para comprender las misteriosas propiedades de la energía oscura y sus efectos en la aceleración de la expansión del universo. Desde España han participado el Instituto de Astrofísica de Canarias, el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona y el Instituto de Física Teórica, en Madrid.

Imagen de una vigésima parte del cielo, una porción de 6.000 millones de años luz de ancho, 4.500 millones de alto y 500 de profundidad. Se trata de una porción del cartografiado del universo del Sloan Digital Sky Survey y el programa Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Cada punto indica la posición de una galaxia hace 6.000 millones de años. El color indica la distancia desde la Tierra, siendo las amarillas las galaxias más cercanas y las moradas las más lejanas. Las galaxias están agrupadas en cúmulos, revelando supercúmulos y vacíos cuya presencia se puede rastrear hacia atrás en el tiempo hasta la primera fracción de segundo después del Big Bang. La imagen contiene 48.741 galaxias, un 3% de todos los datos del cartografiado. Las manchas grises son pequeñas áreas sin datos. / Daniel Eisenstein y SDSS-III

Un equipo internacional de astrónomos del proyecto Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III o, en español, Cartografiado Digital del Cielo SLOAN) ha anunciado esta semana en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society los resultados más precisos sobre la energía oscura, la responsable de la expansión acelerada del universo.

El estudio, firmado por cientos de investigadores y entre los que se encuentran Marcos Pellejero Ibañez y José Alberto Rubiño del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), se ha presentado en un artículo principal y 12 artículos secundarios. También cuenta con participación española del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y del Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC).

Gracias al programa Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), han elaborado el mayor mapa tridimensional de 1,2 millones de galaxias lejanas presentes en un volumen de 650 millones de años luz, equivalente a más de un cuarto del cielo. Este mapa les ha servido para medir esa aceleración y así determinar las cantidades de materia y energía oscura que componen el universo en la actualidad.

BOSS permite calcular el ritmo de expansión del universo midiendo el tamaño de las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO, por sus siglas en inglés), unas ondas de presión que viajaban por el universo temprano –a los 380.000 años- a través de la materia. En ese momento, la materia y la luz se desligaron, formando el fondo cósmico de microondas (CMB), una radiación que ha quedado intacta prácticamente desde entonces y que nos permite estudiar las pequeñas variaciones en la densidad de la materia del universo en su épocas más primitivas. Esas ondas quedaron congeladas en el tiempo y, como consecuencia de la evolución gravitatoria, produjeron a la larga una huella en la distribución de galaxias posterior que BOSS ha sido capaz de medir con una precisión sin precedentes.

Sección del mapa tridimensional construido con BOSS. El rectángulo de la izquierda muestra un recorte de 1000 grados cuadrados celestes con 120.000 galaxias, aproximadamente el 10% del cartografiado total. Las medidas espectroscópicas de cada galaxia –cada punto del recorte gris- transforma la imagen bidimensional en un mapa tridimensional, permitiendo observar el universo de 7.000 millones de años. Las regiones luminosas corresponden a las zonas donde habitan más galaxias y, por consiguiente, más materia oscura. La materia ‘extra’ en esas regiones crea un exceso de fuerza gravitatoria que permite comprobar las predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein. / Jeremy Tinker y SDSS-III

Como resultado de esta metodología, se ha observado que las galaxias están separadas por una distancia característica, llamada “escala acústica”, determinada con precisión gracias a las observaciones del fondo cósmico de microondas realizadas por el satélite Planck, que la estima en 481 millones de años-luz.

Para medir el tamaño de estas antiguas ondas gigantes, con BOSS se elaboró un mapa galáctico varias veces más grande que los realizados hasta la fecha. Cuando fue planeado, ya se sabía que la energía oscura influía significativamente en el ritmo de la expansión del universo, por lo menos, desde hace 5.000 millones de años, así que se diseñó para medir esas oscilaciones desde una época anterior (unos 7.000 millones de años) hasta casi la actualidad (2.000 millones de años).

El mapa también revela que las galaxias se mueven hacia regiones del universo con más materia, debido a la atracción gravitatoria y que, además, las observaciones concuerdan con las predicciones de la Teoría de la Relatividad General. Estos resultados apoyan la hipótesis de que la expansión acelerada del universo es impulsada por un fenómeno como la energía oscura a las más grandes escalas cósmicas.

Nuevas formas de extraer información cosmológica

Marcos Pellejero Ibáñez, estudiante de doctorado en el IAC, y José Alberto Rubiño, investigador del mismo centro, junto a Chia-Hsun Chuang, del Leibniz Institute for Astrophysics (Alemania), han ideado una nueva metodología para la extracción de información cosmológica de los datos de BOSS. Considerando el fondo cósmico de microondas y el mapa tridimensional de galaxias de BOSS para inferir los parámetros cosmológicos con mínimas presuposiciones sobre energía oscura, comprobaron diferentes modelos de la misma y confirmaron que el empleado en los últimos 18 años, basado en la constante cosmológica de Einstein, encaja con naturalidad.

“Aunque es computacionalmente complicado, hemos demostrado que se puede hacer un análisis profundo combinando de estas dos observaciones cosmológicas y usando modelos de evolución del universo cada vez más complejos”, explica Pellejero.

Por su parte, Rubiño añade que “la combinación de estos dos conjuntos de datos excepcionales, los del satélite Planck y BOSS, nos ha permitido además establecer las mejores cotas cosmológicas sobre la suma de las masas de las tres familias de neutrinos y su contribución relativa a la densidad total de materia”.

Referencia bibliográfica:

Shadab Alam et al. “The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: cosmological analysis of the DR12 galaxy sample”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2016. https://arxiv.org/abs/1607.03155

Fuente: Instituto de Astrofísica de Canarias