En Kitt Peaks:
( 4 Abril, 2024 - NOIRLab/CA) Con el más avanzado espectroscopio construido hasta el momento, se está cartografiando todo el cielo de la Tierra, con el objeto de determinar la ubicación y distancia de las galaxias visibles y de la materia oscura. Este instrumento se ha instalado en un telescopio de 4 metros ubicado en la cima de una montaña del desierto de Arizona, Estados Unidos.
Imagen: Un fragmento del mapa de galaxias en tres dimensiones producido durante el primer año del Estudio del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI). La Tierra está en la punta y las galaxias más lejanas se sitúan a distancia de 11 mil millones de años luz. Cada punto representa una galaxia y su color el tipo de observación necesaria para estudiarla, cuya explicacción encontrará más adelante. Esta versión del mapa de DESI incluye 600.000 galaxias —menos del 0,1% del volumen total del estudio. Créditos: DESI Collaboration/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor. (Haga click en la imagen para agrandar).
El espectroscopio esta formado por 5.000 diminutos lentes robóticos capaces de observar y analizar la luz de otras tantas glaxias simultaneamente. Su alta sensibilidad ha permitido que los investigadores puedan mirar 11 mil millones de años en el pasado lo que les permite cartografiar nuestro cosmos tal como era en su juventud y rastrear su evolución hasta lo que vemos hoy. Comprender cómo ha evolucionado nuestro universo está ligado a uno de los mayores misterios de la física: la energía oscura, el ingrediente desconocido que hace que nuestro universo se expanda cada vez más rápido.
Imagen: La Tierra está en el centro de esta delgada porción del mapa completo, en la ampliación aparecen galaxias cercanas observadas en luz visible. En la sección ampliada, es fácil ver la estructura subyacente de la materia en nuestro universo.
Para estudiar los efectos de la energía oscura durante los últimos 11 mil millones de años, DESI ha creado el mapa 3D más grande de nuestro cosmos jamás construido, con las mediciones más precisas hasta la fecha. Esta es la primera vez que los científicos miden la historia de expansión del universo joven con una precisión superior al 1%, lo que nos brinda nuestra mejor visión hasta ahora de cómo evolucionó el universo. Los investigadores compartieron el análisis de su primer año de datos recopilados en varios artículos que se publicarán hoy en arXiv y en charlas en la reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en los Estados Unidos y en los Rencontres de Moriond en Italia.
"Estamos increíblemente orgullosos de los datos, que han producido resultados cosmológicos líderes en el mundo y son los primeros en surgir de la nueva generación de experimentos de energía oscura", dijo Michael Levi, director de DESI y científico del Lawrence del Departamento de Energía. Laboratorio Nacional de Berkeley (Berkeley Lab), que gestiona el proyecto. “Hasta ahora, estamos viendo un acuerdo básico con nuestro mejor modelo del universo, pero también estamos viendo algunas diferencias potencialmente interesantes que podrían indicar que la energía oscura está evolucionando con el tiempo. Estos pueden desaparecer o no con más datos, por lo que estamos entusiasmados de comenzar a analizar nuestro conjunto de datos de tres años pronto”.
El modelo líder del universo se conoce como Lambda CDM. Incluye, además de la materia bariónica que vemos y sentimos, un tipo de materia que interactúa débilmente (materia oscura fría o CDM) y energía oscura (Lambda). Tanto la materia como la energía oscuras dan forma a la expansión del universo, pero de maneras opuestas. La materia barónica (de la que estamos hechos) y la materia oscura frenan la expansión, mientras que la energía oscura la acelera. La cantidad de cada una influye en cómo evoluciona nuestro universo. Este modelo cumple con describir los resultados de experimentos anteriores y cómo se ve el universo a lo largo del tiempo.
Sin embargo, cuando los resultados del primer año de DESI se combinan con datos de otros estudios, existen algunas discrepancias sutiles con lo que predeciría Lambda CDM. A medida que DESI recopile más información durante su estudio de cinco años, estos primeros resultados se volverán más precisos, arrojando luz sobre si los datos apuntan a explicaciones diferentes para los resultados que observamos o la necesidad de actualizar nuestro modelo. Más datos también mejorarán otros resultados iniciales de DESI, que influyen en la constante de Hubble (una medida de la velocidad con la que se expande el universo hoy) y la masa de partículas llamadas neutrinos.
Imagen: El Espectroscopio de Energía Oscura (DESI) se encuentra instalado en el Telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, que se ubica en el Observatorio Nacional Kitt Peak National, en Arizona. Créditos: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld.
DESI es una colaboración internacional de más de 900 investigadores de más de 70 instituciones de todo el mundo. El instrumento fue construido y operado con fondos de la Oficina de Ciencias del DOE, y se encuentra encima del Telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en el Observatorio Nacional Kitt Peak, un programa de NOIRLab de NSF.
Al observar el mapa de DESI, es fácil ver la estructura subyacente del universo: cadenas de galaxias agrupadas, separadas por vacíos con menos objetos. Nuestro universo primitivo, mucho más allá de la visión de DESI, era bastante diferente: una sopa densa y caliente de partículas subatómicas que se movían demasiado rápido como para formar materia estable como los átomos que conocemos hoy. Entre esas partículas se encontraban los núcleos de hidrógeno y helio, llamados colectivamente bariones.
Pequeñas fluctuaciones en este plasma ionizado temprano causaron ondas de presión, moviendo los bariones en un patrón de ondas similar a lo que verías si arrojaras un puñado de grava a un estanque de agua. A medida que el universo se expandió y enfrió, se formaron átomos neutros y las ondas de presión se congelaron en tres dimensiones, estructuras que permitió la formación de futuras galaxias en las áreas más densas. Miles de millones de años después, todavía podemos ver este tenue patrón de ondas o burbujas tridimensionales en la separación característica de las galaxias, una característica llamada Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO).
Los investigadores utilizan las mediciones de BAO como regla cósmica. Midiendo el tamaño aparente de estas burbujas, pueden determinar las distancias a la materia responsable de este patrón extremadamente tenue en el cielo. Mapear las burbujas de BAO tanto cerca como lejos permite a los investigadores dividir los datos en partes, medir qué tan rápido se expandió el universo en cada momento de su pasado y modelar cómo la energía oscura afecta esa expansión.
Imagen: Ilustración que muestra cómo el Espectroscopio de Energía Oscura (DESI) utiliza cuásares distantes para cartografiar las estructuras de gran escala del Universo. A medida que la luz de los cuásares viaja a través del cosmos, es absorbida por las nubes de gas intergalácticas. Esta absorción puede ser detectada en la luz captada por DESI, permitiendo a los astrónomos cartografiar los bolsones de materia densa. Créditos: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld.
Usar galaxias para medir la historia de la expansión y comprender mejor la energía oscura es una técnica compleja donde se deben utilizar todos los medios de la astronomía actual. Para el estudio de las galaxias cercanas la observación se puede realizar en luz visible, son las que aparecen de celeste en el mapa, pero como el universo está en expansión y por un efecto geométrico las galaxias más distantes parecen alejarse cada vez más rápido desplazando su espectro luminoso hacia el rojo, llega un momento en que ya desde la Tierra no las vemos en luz visible, y es preciso cambiarse a detectores de luz infrarroja para poder estudiarlas, esto ocurre a una distancia de unos mil millones de años luz.
En el mapa vemos a las galaxias observadas con los detectores de luz infrarroja marcadas en amarillo. Pero este tipo de instrumentos sirven solamente hasta aproximadamente los 2 mil millones de años luz, distancia en la que vemos que las galaxias estiran sus espectros luminosos más allá del infrarrojo, pasando a longitudes de ondas milimétricas. Los telescopios tradicionales deben entonces acudir a los quásares, núcleos de galaxias activas muy brillantes y extremadamente distantes con agujeros negros en sus centros, que emiten gran parte de su energía como luz ultravioleta, la que al desplazarse al rojo producto de la expansión del universo podemos ver en luz visible o infrarroja. Esto, junto a las observaciones de los radiotelescopios, como los de ALMA, permite observar las galaxias del universo más lejano y temprano.
Pero el DESI permite además estudiar como la luz de los quásares se absorbe a medida que pasa a través de nubes intergalácticas de gas, lo que permite a los investigadores mapear las bolsas de materia densa y utilizarlas de la misma manera que utilizan el "bosque de Lyman-alfa".
"Usamos los quásares como luz de fondo para ver básicamente la sombra del gas que se interpone entre los quásares y nosotros", dijo Andreu Font-Ribera, científico del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en España, que codirige el estudio Lyman-Análisis de bosque alfa. “Nos permite mirar más allá, cuando el universo era muy joven. Es una medición realmente difícil de realizar y es genial ver que tenga éxito”.
Imagen: Diagramas de Hubble del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) revelan un patrón característico —Oscilaciones Acústicas de Bariones, o “burbujas” BAO— en diferentes épocas del Universo. La cantidad de energía oscura determina la velocidad de crecimiento del Universo, y por tanto, el tamaño de las burbujas. Las líneas continuas y discontinuas representan predicciones del tamaño de las burbujas, en función de si la energía oscura evoluciona o no evoluciona con el tiempo. DESI reunirá más datos para determinar qué modelo describe mejor el Universo.
Créditos:
DESI collaboration/A. de Mattia.
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