Un paso más cerca de comprender el ‘punto frío’ en el fondo cósmico de microondas


Después del Big Bang, el universo, que brillaba intensamente, era opaco y tan caliente que los átomos no se podían formar. Finalmente, al enfriarse a menos -270 grados Celsius, gran parte de la energía del Big Bang tomó la forma de luz. Este resplandor, conocido como fondo cósmico de microondas, ahora se puede ver con telescopios en frecuencias de microondas invisibles para los ojos humanos. Tiene pequeñas fluctuaciones de temperatura que proporcionan información sobre el universo primitivo.

Se realizaron observaciones para el Dark Energy Survey, utilizando el Telescopio Blanco en la cordillera de los Andes de Chile. Los científicos utilizaron sus datos para crear un mapa de materia oscura en la región del cielo que contiene el supervacío de Eridanus y el punto frío de CMB. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

Ahora los científicos podrían tener una explicación para la existencia de una región especialmente fría en el resplandor crepuscular, conocida como CMB Cold Spot. Su origen ha sido un misterio hasta ahora, pero podría atribuirse a la mayor ausencia de galaxias jamás descubierta.

Los científicos utilizaron datos recopilados por Dark Energy Survey para confirmar la existencia de uno de los supervacíos más grandes conocidos por la humanidad, el supervacío Eridanus, como se informó en un artículo publicado en diciembre de 2021. podría ser una posible causa de la anomalía en el CMB.

El supervacío de Eridanus

La red cósmica está formada por cúmulos y supercúmulos de galaxias. Son atraídos por la fuerza de atracción de la gravedad y se alejan aceleradamente el uno del otro por la fuerza repulsiva de un fenómeno misterioso, aún no comprendido, llamado energía oscura.

Entre estos cúmulos de galaxias hay vacíos: vastas regiones del espacio que contienen menos galaxias y, por lo tanto, menos materia ordinaria y menos materia oscura que la que existe dentro de los cúmulos de galaxias.

Entre las estructuras más grandes conocidas por la humanidad, el supervacío en la constelación de Eridanus es un vacío masivo, alargado y con forma de cigarro en la red cósmica que tiene 1.800 millones de años luz de ancho y se ha observado que contiene aproximadamente un 30 % menos de materia que la región galáctica circundante. Su centro está ubicado a 2 mil millones de años luz de la Tierra, lo que la convierte en la subdensidad de materia dominante en nuestro vecindario galáctico.

El Punto Frío reside en la constelación de Eridanus en el hemisferio sur galáctico. El recuadro muestra el mapa de temperatura de microondas de esta parte del cielo, mapeado por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea. La figura principal muestra el mapa de distribución de materia oscura creado por el equipo de Dark Energy Survey. Crédito: Gergö Kránicz y András Kovács

Mapeo de materia oscura

Para hacer este descubrimiento, los científicos utilizaron los datos del Dark Energy Survey para crear un mapa de materia oscura en la misma dirección que el CMB Cold Spot, observando el efecto de las lentes gravitacionales. Es un fenómeno que ocurre cuando los caminos de la luz se deforman por la influencia gravitatoria de la materia oscura.

«Este mapa de materia oscura es el mapa más grande jamás creado», dijo Niall Jeffrey, el científico que trabajó en la construcción de un mapa de materia oscura. «Hemos podido mapear la materia oscura en más de una cuarta parte del hemisferio sur».

Los científicos contaron previamente la cantidad de galaxias visibles en la ubicación del CMB Cold Spot y encontraron una baja densidad de galaxias en esa región. El nuevo mapa muestra que hay una subdensidad correspondiente de materia oscura invisible.

Uso de vacíos para entender la energía oscura

El Dark Energy Survey es un esfuerzo internacional para comprender el efecto que tiene la energía oscura en la aceleración del universo. En él participan 300 científicos de 25 instituciones de siete países.

El Dark Energy Survey documenta cientos de millones de galaxias, supernovas y patrones dentro de la red cósmica, utilizando una cámara digital de 570 megapíxeles, llamada DECam, en lo alto de los Andes chilenos. La construcción de esta cámara y la integración de los componentes estuvo a cargo del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del Departamento de Energía de EE. UU.

“Hace muchos años, al menos una década y media, pensábamos cómo afectarían los vacíos a la aceleración actual del universo”, explica Juan García-Bellido, cosmólogo del IFT-Madrid y coautor del artículo.

En las escalas más grandes del universo, hay un tira y afloja entre las fuerzas gravitatorias y la expansión del universo a partir de la energía oscura, lo que hace que algunos de los vacíos entre los cúmulos galácticos sean más profundos.

El generador de imágenes de la Cámara de Energía Oscura puede registrar pequeñas cantidades de luz de galaxias distantes y supernovas. Crédito: Reidar Hahn, Fermilab

«Los fotones o partículas de luz entran en un vacío en un momento antes de que el vacío comience a profundizarse y salen después de que el vacío se haya vuelto más profundo», dijo García-Bellido. «Este proceso significa que hay una pérdida de energía neta en ese viaje; eso se llama el efecto integrado Sachs-Wolfe. Cuando los fotones caen en un pozo de potencial, ganan energía, y cuando salen de un pozo de potencial, pierden energía. Este es el efecto de corrimiento al rojo gravitacional».

Preguntas abiertas

Aunque el nuevo resultado confirma que el supervacío de Eridanus es gigantesco, aún no es suficiente para explicar la discrepancia entre las predicciones del modelo cosmológico estándar actual utilizado para predecir el comportamiento de la energía oscura, conocido como el modelo Lambda Cold Dark Matter, y el cambio observado en la temperatura en el Punto Frío que se puede atribuir al efecto del supervacío en los fotones del CMB.

«Tener la coincidencia de estas dos estructuras individualmente raras en la red cósmica y en el CMB básicamente no es suficiente para probar la causalidad con el estándar científico», dijo András Kovács, investigador principal de este proyecto.

«Es un elemento suficientemente nuevo en la larga historia del problema del punto frío de CMB que después de esto, la gente al menos estará segura de que hay un supervacío, lo cual es bueno porque algunas personas han debatido eso», dijo Kovács.

En resumen, hay dos formas de pensar en este problema: O el modelo Lambda-CDM es correcto y el CMB Cold Spot es una anomalía extrema que, por coincidencia, tiene un supervacío masivo frente a él, o el modelo Lambda-CDM es incorrecto. , y el efecto Sachs-Wolfe integrado es más fuerte de lo esperado en los supervacíos.

Esto último indicaría una mayor influencia de la energía oscura en el universo y posiblemente una expansión cósmica más rápida. Curiosamente, esta posibilidad está respaldada por evidencia de otros supervacíos más distantes. Además, el equipo de Dark Energy Survey observó que la señal de lente del supervacío de Eridanus es ligeramente más débil de lo esperado.

«El problema es que los modelos alternativos típicos tampoco pueden explicar esta discrepancia, por lo que, de ser cierto, podría significar que no entendemos algo muy profundo sobre la energía oscura», dijo Kovács.

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