La primera luz del universo ayuda a construir un mapa de materia oscura
En la década de 1960, los astrónomos comenzaron a notar un fondo de microondas omnipresente visible en todas las direcciones. Más tarde conocido como el 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 ca. Hace 13,8 años. Al medir el CMB para el corrimiento al rojo y compararlo con las medidas 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 artículos, miembros de la Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) usó la luz de fondo del CMB para crear un nuevo mapa de materia oscura distribución que cubre una cuarta parte del cielo y se extiende profundamente en el cosmos. Este mapa confirma la relatividad general y sus predicciones de cómo la masa cambia la curvatura del espacio-tiempo.
ACT es un consorcio internacional de más de 160 científicos de los Estados Unidos, Reino Unido, Canadá, Francia, Alemania, Italia, Chile, Suiza, Japón, Sudáfrica y el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA. Su objetivo es proporcionar mediciones mejoradas de los parámetros que describen el primer Universo al monitorear la luz que emergió durante el «Amanecer Cósmico» (cuando el Universo tenía solo 380,000 años), que es visible hoy bajo el nombre de CMB. Al comparar esto con las mediciones del Universo local, los astrónomos y cosmólogos esperan aprender más sobre su evolución.
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 («ligera») a través de fuerzas electrodébiles o nucleares fuertes, solo la gravedad (la más débil de las fuerzas fundamentales). Para rastrear esta masa «invisible» ilusoria, 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 El diario astrofísico, el equipo se basó en datos de ACT Data Release 6 (DR6), que constaba de cinco temporadas de observaciones de temperatura y polarización del CMB. Estas lecturas de luz se usaron esencialmente para retroiluminar toda la materia entre hoy y el Big Bang (hace unos 13.800 millones de años). Ha dicho Suzanne StaggHenry DeWolf Smyth Profesor de Física en la Universidad de Princeton y Director de ACT:
«Es como la silueta, pero en lugar de tener solo negro en la silueta, tienes textura y trozos de materia oscura, como la luz filtrándose a través de una cortina de tela que tenía muchos nudos y protuberancias. La famosa imagen CMB azul y amarilla es una instantánea de cómo se veía 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 hace referencia aquí es la famosa imagen de cielo alto en base a los datos recopilados por el Sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) entre 2001 y 2003. Esta misión (que permaneció operativa hasta 2010) se basó en el trabajo anterior de la Explorador de fondo cósmico (COBE), que recopiló datos de CMB de 1989 a 1993. Luego vino el Tablón satélite, que midió el CMB de 2009 a 2013 para mapear pequeñas fluctuaciones de temperatura. Los mapas resultantes, cada vez más precisos, proporcionaron información sobre la evolución del cosmos al mostrar cuáles eran sus condiciones iniciales.
Este último mapa llevó 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 masa misteriosa, el equipo de investigación examinó cómo su gravedad afecta la curvatura del espacio-tiempo entre el CMB y la Tierra. Mostró efectivamente cómo grandes acumulaciones de masa (tanto visibles como invisibles) alteraron el camino que tomó su luz mientras viajaba miles de millones de años luz (y miles de millones de años) para llegar a nosotros.
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 antiguas ventanas llenas de baches se doblan y distorsionan lo que podemos ver a través de ellas. El mapa resultante reveló el «andamiaje» 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 las convenciones al medir la distribución de la materia en nuestro Universo, no en términos de luz sino en términos de masa.
dicho coautor blake sherwinexalumno del doctorado en Princeton en 2013 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 exactamente lo que predicen nuestras teorías. Es una evidencia sorprendente de que entendemos la historia de cómo se formó la estructura de nuestro universo a lo largo de miles de millones de años, justo después de la Big Bang hasta hoy. Sorprendentemente, el 80% de la masa del universo es invisible. Al mapear la distribución de la materia oscura en el cielo a las distancias más grandes, nuestras mediciones de la lente ACT nos permiten ver este mundo invisible con claridad.
«Creamos un nuevo mapa de masas utilizando las distorsiones de luz dejadas por el Big Bang», dijo el profesor asistente de Princeton. Mateo Madhavacheril, becario postdoctoral de 2016 a 2018 en Princeton y autor principal de uno de los artículos. «Sorprendentemente, proporciona mediciones que muestran que la ‘gordura’ del Universo y la velocidad a la que se expande después de 14 000 millones de años de evolución es exactamente lo que cabría esperar de nuestro modelo estándar de cosmología basado en la teoría de Einstein. de gravedad »
marc devlin, profesora de astronomía Reese Flower en la Universidad de Pensilvania y subdirectora de ACT, fue una de las pocas investigadoras que comprendió el potencial de este experimento a principios de la década de 2000. «Cuando propusimos este experimento en 2003, no teníamos idea de el alcance total de la información que podría extraerse de nuestro telescopio», dijo. «Se lo debemos al ingenio 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 desarrolladas por nuestro equipo».
Sus resultados también podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre la llamada «crisis de la cosmología», donde las mediciones de luz utilizando el CMB en comparación con las estrellas locales producen valores diferentes. Esta disparidad, también conocida como la «tensión de Hubble», 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 estas masas y determinaron que eran completamente 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 incomparables del estado primordial del universo, por lo que estos mapas de lentes, que representan su evolución posterior, son casi una riqueza vergonzosa. Ahora tenemos un segundo mapa muy primordial del Universo. En lugar de un ‘ crisis’, creo que tenemos una gran oportunidad de usar estos diferentes conjuntos de datos juntos. Nuestro mapa incluye toda la materia oscura, que se remonta al Big Bang, y los otros mapas se remontan a unos 9 mil millones de años, lo que nos da una capa mucho más cercana. para nosotros. Podemos comparar los dos para aprender más sobre el crecimiento de las estructuras en el universo. Creo que va a resultar muy interesante. Que ambos enfoques obtengan mediciones diferentes es fascinante.
Si bien el ACT se desmanteló en septiembre de 2022 (después de 15 años de 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 DR6, y el Observatorio Simons realizará futuras observaciones desde el mismo sitio. Estos se llevarán a cabo utilizando un nuevo telescopio que se lanzará en 2024 y que podrá cartografiar 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.
Las versiones preimpresas de los artículos de ACT se pueden encontrar aquí:
Otras lecturas: Universidad de Princeton
