Primera luz en el Universo ayuda a construir un mapa de materia oscura
Por Matt Williams, Universe Today.
21 de abril de 2023.
Una vista del Quinteto de Stephan, una agrupación visual de cinco galaxias del Telescopio James Webb. Crédito: NASA/ESA/CSA/STScI.
En la década de 1960, los astrónomos comenzaron a notar un fondo de microondas omnipresente visible en todas las direcciones. A partir de entonces, conocido como Fondo Cósmico de Microondas (CMB), la existencia de esta radiación relicta confirmó la teoría del Big Bang, que postula que toda la materia se condensó en un solo punto de densidad infinita y calor extremo que comenzó a expandirse hace unos 13.800 millones de años.
Al medir el desplazamiento al rojo del CMB y compararlo con las mediciones de distancia locales (usando estrellas variables y supernovas), los astrónomos han tratado de medir la velocidad a la que se expande el Universo.
Casi al mismo tiempo, los científicos observaron que las curvas de rotación de las galaxias eran mucho más altas de lo que sugería su masa visible. Esto significaba que la Teoría General de la Relatividad de Einstein estaba equivocada o que el Universo estaba lleno de una masa misteriosa e invisible.
En una nueva serie de documentos, los miembros de la colaboración del Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) han utilizado la luz de fondo del CMB para crear un nuevo mapa de distribución de la Materia Oscura que cubre una cuarta parte del cielo y se extiende profundamente en el cosmos. Este mapa confirma la Relatividad General y sus predicciones sobre cómo la masa altera la curvatura del espacio-tiempo.
El ACT es un consorcio internacional de más de 160 científicos de los EE. UU., el Reino Unido, Canadá, Francia, Alemania, Italia, Chile, Suiza, Japón, y Sudáfrica.
Su objetivo es proporcionar mediciones mejoradas de los parámetros que describen el Universo muy primitivo al monitorear la luz que emergió durante el "Amanecer Cósmico" (cuando el Universo tenía solo 380.000 años), que es visible hoy como CMB. Al comparar esto con las mediciones del Universo local, los astrónomos y cosmólogos esperan aprender más sobre cómo evolucionó.
Según el modelo cosmológico predominante, el modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM), la materia oscura representa el 85 % de la masa del cosmos. Desafortunadamente, no interactúa con la materia normal ("luminosa") a través de fuerzas electrodébiles o nucleares fuertes, solo la gravedad (la más débil de las fuerzas fundamentales). Para rastrear esta masa ilusoria e "invisible", la colaboración ACT utiliza el Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT), un telescopio de ondas milimétricas de seis metros (~20 pies) hecho a la medida ubicado en el Observatorio Llano de Chajnantor en el norte de Chile.
Como describen en sus tres nuevos artículos programados para su publicación en The Astrophysical Journal, el equipo se basó en datos del Data Release 6 (DR6) de ACT, que consistió en cinco temporadas de observaciones de polarización y temperatura CMB. Estas lecturas de luz se utilizaron esencialmente para retroiluminar toda la materia entre la actualidad y el Big Bang (hace unos 13.800 millones de años). Dijo Suzanne Staggs, profesora de física en la Universidad de Princeton y directora de ACT:
"Es un poco como siluetear, pero en lugar de tener solo negro en la silueta, tienes textura y grumos de materia oscura, como si la luz se filtrara a través de una cortina de tela que tuviera muchos nudos y protuberancias. El famoso azul y La imagen CMB amarilla es una instantánea de cómo era el Universo en una sola época, hace unos 13 mil millones de años, y ahora nos brinda información sobre todas las épocas desde entonces".
La imagen a la que se alude aquí es la famosa imagen de cielo completo basada en datos recopilados por la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) entre 2001 y 2003. Esta misión (que permaneció en funcionamiento hasta 2010) se basó en el trabajo anterior del Cosmic Background Explorer (COBE), que recopiló datos sobre el CMB de 1989 a 1993.
Luego vino el satélite Planck de la ESA, que midió el CMB de 2009 a 2013 para mapear pequeñas fluctuaciones de temperatura. Los mapas cada vez más precisos que resultaron proporcionaron información sobre la evolución del cosmos al mostrar cuáles eran sus condiciones iniciales.
Este último mapa ha llevado esa investigación un paso más allá al usarlo para medir cómo ha evolucionado la estructura de la materia desde entonces, el 85% de la cual es materia oscura. Para visualizar la presencia y distribución de esta misteriosa masa, el equipo de investigación examinó cómo su gravedad afectaba la curvatura del espacio-tiempo entre el CMB y la Tierra. Esto mostró efectivamente cómo grandes acumulaciones de masa (tanto visibles como invisibles) alteraron el camino que siguió su luz mientras viajaba durante miles de millones de años luz (y miles de millones de años) para llegar a nosotros.
La imagen de cielo completo de las fluctuaciones de temperatura en el CMB obtenida a partir de nueve años de observaciones WMAP. Estas son las semillas de las galaxias de cuando el Universo tenía menos de 400.000 años. Crédito: NASA/WMAP.
El equipo rastreó cómo la atracción gravitacional de las estructuras masivas de materia oscura puede deformar el CMB en su viaje de 14 mil millones de años hacia nosotros, al igual que las ventanas antiguas y llenas de bultos se doblan y distorsionan lo que podemos ver a través de ellas. El mapa resultante reveló el "andamio" de materia oscura que contiene materia visible y rodea y conecta galaxias y cúmulos de galaxias.
Esto condujo a la estructura a gran escala del Universo (a menudo denominada "Red Cósmica"), que se puede ver claramente en la imagen. El mapa también rompe con la convención al medir la distribución de la materia en nuestro Universo, no en términos de luz sino en términos de masa.
Dijo el coautor Blake Sherwin, ex alumno de Princeton y profesor de cosmología en la Universidad de Cambridge (donde dirige el grupo de investigación ACT):
"Hemos mapeado la distribución invisible de la materia oscura en el cielo, y es tal como predicen nuestras teorías. Esta es una evidencia sorprendente de que entendemos la historia de cómo se formó la estructura de nuestro Universo durante miles de millones de años, desde justo después del Big Bang hasta hoy. Sorprendentemente, el 80% de la masa en el Universo es invisible. Al mapear la distribución de la materia oscura en el cielo a las distancias más grandes, nuestras mediciones de lentes ACT nos permiten ver claramente este mundo invisible".
"Hemos hecho un nuevo mapa de masas utilizando distorsiones de luz que quedaron del Big Bang", dijo el profesor asistente de Princeton Mathew Madhavacheril, un postdoctorado de Princeton 2016-2018 y autor principal de uno de los artículos. "Sorprendentemente, proporciona mediciones que muestran que tanto la 'grumosidad' del Universo como la velocidad a la que crece después de 14.000 millones de años de evolución son justo lo que cabría esperar de nuestro modelo estándar de cosmología basado en la teoría de la gravedad de Einstein".
Mark Devlin, profesor de astronomía en la Universidad de Pensilvania y subdirector de ACT, fue uno de los pocos investigadores que vieron el potencial de este experimento a principios de la década de 2000. "Cuando propusimos este experimento en 2003, no teníamos idea de la cantidad total de información que podía extraerse de nuestro telescopio", dijo. "Se lo debemos a la inteligencia de los teóricos, a las muchas personas que construyeron nuevos instrumentos para hacer que nuestro telescopio sea más sensible y a las nuevas técnicas de análisis que ideó nuestro equipo".
Sus resultados también podrían proporcionar una nueva visión de la llamada "Crisis en Cosmología", donde las mediciones de luz que utilizan el CMB frente a las estrellas locales producen valores diferentes. También conocida como la "tensión de Hubble", esta disparidad sugiere que la materia oscura no era lo suficientemente "grumosa" y que el modelo estándar de cosmología (LCDM) puede ser incorrecto. Sin embargo, los últimos resultados del equipo de ACT evaluaron con precisión el tamaño y la distribución de estos bultos y determinaron que eran perfectamente consistentes con el modelo LCDM. Staggs, cuyo equipo construyó los detectores que recopilaron los datos durante los últimos cinco años, cree que su nuevo mapa podría convertir esta "crisis" en una oportunidad:
"El CMB ya es famoso por sus mediciones sin precedentes del estado primordial del Universo, por lo que estos mapas de lentes, que describen su evolución posterior, son casi una vergüenza de riquezas. Ahora tenemos un segundo mapa muy primordial del Universo. En lugar de una "crisis", creo que tenemos una oportunidad extraordinaria de usar estos diferentes conjuntos de datos juntos. Nuestro mapa incluye toda la materia oscura, desde el Big Bang, y los otros mapas miran hacia atrás unos 9 mil millones de años, dándonos una capa que está mucho más cerca de nosotros. Podemos comparar los dos para aprender sobre el crecimiento de las estructuras en el Universo. Creo que va a resultar muy interesante. Que los dos enfoques estén obteniendo diferentes medidas es fascinante".
Si bien el ACT se desmanteló en septiembre de 2022 (después de 15 años en funcionamiento), los datos que recopiló aún inspiran nuevas investigaciones y avances. Pronto se esperan más documentos que presenten los resultados del conjunto final de observaciones en el DR6, y el Observatorio Simons realizará futuras observaciones desde la misma vista. Estos se realizarán utilizando un nuevo telescopio programado para comenzar a operar en 2024 que será capaz de mapear el cielo casi diez veces más rápido que el ACT. Quizás podamos esperar estudios de todo el cielo que mapeen la distribución de la materia oscura desde el comienzo del cosmos.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-04-universe-dark.html