Buscando la energía oscura

Un nuevo tipo de análisis, dirigido por el físico Andreu Font-Ribera, del Departamento del Laboratorio de Energía del Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y su equipo estadounidense, fue publicado a finales del año pasado.

El ‘Baryon Oscillation Spectroscopic Survey’ (BOSS), el mayor componente de la tercera ‘Sloan Digital Sky Survey’ (SDSS- III), ha sido pionero en el uso de los cuásares para mapear las variaciones de densidad de gas intergaláctico a alto corrimiento al rojo, trazando la estructura del universo joven.

   BOSS ha dibujado la historia de la expansión del universo con el fin de esclarecer la naturaleza de la energía oscura y las nuevas medidas de la estructura a gran escala han arrojado la medición más precisa de la expansión desde la formación de las galaxias.

   Estos análisis de cuásares, publicado en ‘Astronomy & Astrophysics’, combinan dos técnicas separadas, que en conjunto establecen un ritmo de expansión de a 68 kilómetros por segundo por cada millón de años luz de un corrimiento al rojo de 2.34, con una precisión del 2,2 por ciento.

   Un nuevo tipo de análisis, dirigido por el físico Andreu Font-Ribera, del Departamento del Laboratorio de Energía del Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y su equipo estadounidense, fue publicado a finales del año pasado. Otro análisis utilizando el enfoque probado, pero con muchos más datos que antes, acaba de ser publicado por Timothée Delubac, del EPFL de Suiza y el Centro francés de Saclay, y su equipo.

   «Esto significa que si miramos hacia atrás al universo cuando era menos de una cuarta parte de su edad actual, veríamos que un par de galaxias separadas por un millón de años luz podrían estar vagando aparte a una velocidad de 68 kilómetros por segundo igual que como se expande el universo«, explica Font-Ribera, becario postdoctoral en la División de Física del Laboratorio Berkeley, quien añade que la incertidumbre es de más o menos de un kilómetro y medio por segundo. Este experto presentó estos resultados en la reunión de la Sociedad Americana de Física, que se celebró en abril en Savannah, Georgia, Estados Unidos.

   BOSS empleó ambas galaxias y cuásares distantes para medir las oscilaciones acústicas de bariones (BAO, por sus siglas en inglés), una huella de la firma en la forma en que la materia se distribuye, como resultado de las condiciones en el universo temprano. Mientras que también están presentes en la distribución de la materia oscura invisible, la huella es evidente en la distribución de la materia ordinaria, incluyendo galaxias, cuásares e hidrógeno intergaláctico.

   «Hace tres años BOSS usó 14.000 cuásares para demostrar que podíamos hacer los mapas más grandes del universo en 3-D«, dice el experto del Berkeley Lab David Schlegel, investigador principal del BOSS. «Hace dos años, con 48.000 cuásares, lo primero que detectamos fueron oscilaciones acústicas de bariones en estos mapas. Ahora, con más de 150.000 cuásares, hemos hecho medidas muy precisas de BAO», resalta.

   La huella de BAO corresponde a un exceso de alrededor del 5 por ciento en la agrupación de la materia a una separación conocida como la escala BAO. Experimentos recientes incluyendo BOSS y el estudio del satélite Planck sobre la radiación cósmica de fondo colocan la escala BAO, medida en el universo de hoy, a muy cerca de 450 millones de años luz, una «regla estándar» para medir la expansión.

   BAO se deriva directamente de las ondas de presión (ondas sonoras) que se mueven a través del universo temprano, cuando las partículas de la luz y la materia se enredan estrechamente. 380.000 años después del Big Bang, el universo se había enfriado lo suficiente como para que la luz quedara libre. La radiación de microondas de fondo cósmico deja constancia de los primeros picos de densidad acústica; lo que son la semilla de las huellas posteriores de BAO sobre la distribución de la materia.

LOS CUÁSARES AMPLÍAN LA REGLA ESTÁNDAR

   El trabajo previo de BOSS utilizó espectros de más de un millón de galaxias para medir la escala BAO con una notable precisión del 1 por ciento. Pero más allá del corrimiento al rojo de 0,7 (aproximadamente 6.000 millones de años luz de distancia), las galaxias se vuelven más débiles y más difíciles de ver. Para los desplazamientos al rojo mucho más altos que los de los estudios actuales, con un promedio de 2.34, BOSS fue pionero en el método de «bosque Lyman-alfa» de uso de los espectros de los cuásares distantes para calcular la densidad del hidrógeno intergaláctico.

   A medida que la luz de un cuásar distante pasa interviniendo en un gas hidrógeno, parches de mayor densidad absorben más luz. Las líneas de absorción de hidrógeno neutro en el espectro (líneas Lyman-alfa) identifican cada parche denso por lo mucho que son desplazados hacia el rojo. Hay muchas líneas de un espectro de este tipo, de hecho, que se asemejan a un bosque Lyman-alfa.

   Con el necesario espectro del cuásar lo suficientemente cerca, la posición de las nubes de gas puede ser mapeada en tres dimensiones, tanto a lo largo de la línea de visión para cada cuásar como transversalmente entre parches densos revelados por otro espectro del cuásar. A partir de estos mapas se extrae la señal de BAO.

   Los resultados que acaban de publicarse de autocorrelación por Delubac y sus colegas utilizan los espectros de casi 140.000 cuásares cuidadosamente seleccionados por BOSS. Font- Ribera y sus colegas determinaron BAO utilizando incluso más cuásares en una manera diferente. Los cuásares son galaxias jóvenes alimentados por agujeros negros masivos, extremadamente brillantes y muy lejanos, y, por lo tanto, muy desplazados hacia el rojo. El equipo de Font- Ribera correlacionó cuásares en sí mismos con espectros de otros cuásares, un método llamado de correlación cruzada.

   «Los cuásares son galaxias masivas y nosotros esperamos que estén en las partes más densas del universo, donde la densidad del gas intergaláctico también debería ser mayor -subraya Font-Ribera–. Por tanto, esperamos encontrar más gas absorbente que la media cuando analizamos de cerca cuásares«. La cuestión era si la correlación sería lo suficientemente buena para ver la huella BAO.

   De hecho, la huella de BAO en correlación cruzada era fuerte. Delubac y su equipo combinaron sus resultados con los resultados de autocorrelación de correlación cruzada de Font- Ribera y su equipo y se juntaron en límites estrechos de la escala BAO. La autocorrelación y la correlación cruzada también convergieron en la precisión de sus medidas de la tasa de expansión del universo, llamado el parámetro de Hubble. En el corrimiento al rojo de 2.34, la medida combinada fue equivalente a 68 más o menos 1,5 kilometros por segundo por cada millón de años luz.

   «Es la medición más precisa del parámetro de Hubble en cualquier desplazamiento al rojo, incluso mejor que la medición que tenemos del universo local un corrimiento al rojo de cero», subrayar Font-Ribera. «Estos resultados nos permiten estudiar la geometría del universo cuando era sólo un cuarto de su edad actual. Combinando con otros experimentos cosmológicos, podemos aprender acerca de la energía oscura y poner fuertes restricciones sobre la curvatura del universo, puesto que es muy plana», agrega.

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