Astrofísicos prueban un nuevo trozo del cielo para investigar la materia oscura y la energía oscura

En el modelo cosmológico principal, la mayor parte del universo es invisible: un 95% combinado está compuesto de materia oscura y energía oscura. Qué son exactamente estos componentes oscuros sigue siendo un misterio, pero tienen un tremendo impacto en nuestro universo, ya que la materia oscura ejerce una atracción gravitacional y la energía oscura impulsa la expansión acelerada del universo.

El conocimiento científico sobre la materia oscura y la energía oscura proviene de la observación de sus efectos en el universo visible. Astrofísicos de la Universidad de Chicago han medido estos efectos en una nueva porción del cielo para iluminar el cosmos invisible.

Cartografiando el universo oscuro
De 2013 a 2019, el Dark Energy Survey (DES) recopiló datos utilizando la Cámara de Energía Oscura (DECam), instalada en el Telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo en Chile, y ha medido y calibrado las formas de más de 150 millones de galaxias a lo largo de 5000 grados cuadrados (aproximadamente una octava parte) del cielo. Estas observaciones ayudan a refinar nuestra comprensión de la distribución de masa del universo y las propiedades de la energía oscura.

En particular, los datos de DES han sido importantes para comprender uno de los principales problemas que han surgido recientemente en el modelo cosmológico principal, el modelo Lambda-CDM (LCDM). Parece haber inconsistencias entre las mediciones en el universo cercano, derivadas de estudios de galaxias como DES, y las del universo temprano, derivadas del fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación residual del Big Bang.

Si bien DECam se utilizó para recopilar una enorme cantidad de datos para DES, también observó grandes porciones del cielo fuera de la región de DES.

En un trabajo descrito en un nuevo conjunto de artículos publicados en el Open Journal of Astrophysics, un equipo de astrofísicos de la Universidad de Chicago prácticamente duplicó el número de galaxias con formas medidas utilizando datos de DECam que cubren miles de grados cuadrados del cielo fuera de la zona de influencia de DES. Al analizar los datos ampliados, que originalmente no estaban destinados a estudios de lentes gravitacionales débiles, el equipo puede examinar de forma independiente las inconsistencias observadas previamente en LCDM.

Distorsión y distancia
La lente gravitacional, la curvatura de la luz por objetos masivos, es un método clave para investigar la cantidad de masa y su distribución en el universo, lo que permite comprender mejor las interacciones entre la materia oscura, la materia ordinaria y la energía oscura, explicó Chihway Chang, profesor asociado de Astronomía y Astrofísica y director del proyecto de cizallamiento cósmico de lentes gravitacionales débiles de Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE).

Con lentes gravitacionales débiles, la forma de las galaxias observadas desde la Tierra aparece ligeramente distorsionada (cizallada) porque la luz de esas galaxias debe atravesar y rodear la materia del universo para llegar hasta nosotros. El efecto es tan sutil que requiere análisis estadístico para su medición.

«Las mediciones de lentes gravitacionales débiles son las más eficaces para investigar la ‘agrupación’ de la materia», afirmó Dhayaa Anbajagane, doctora en Filosofía. Estudiante de Astronomía y Astrofísica, analista principal y primer autor de la serie de artículos DECADE. «Cuantificar esta aglomeración arroja luz sobre el origen y la evolución de estructuras como las galaxias y los cúmulos de galaxias. Esto es similar a medir la distribución de las personas (la materia) que viven en una región y usarla para comprender características como la topografía del paisaje o la ubicación o antigüedad de las zonas urbanas (factores que influyen en el origen y la evolución de las estructuras)».

Para este proyecto, el equipo midió las formas de más de 100 millones de galaxias. También midieron sus distancias determinando cuánto se ha desplazado la luz de una galaxia hacia el extremo rojo del espectro luminoso (corrimiento al rojo), lo que indica la velocidad de su alejamiento. A partir de esta medición, pueden calcular la distancia desde la Tierra.

Utilizando estas formas y distancias, el equipo ajustó el modelo LCDM a los datos. Este es el modelo estándar de la cosmología, ampliamente aceptado para explicar las observaciones del universo, con componentes relacionados con la energía oscura, la materia oscura, la materia ordinaria, los neutrinos y la radiación.

«Este es un modelo bien probado que ha superado numerosos análisis en la última década, y nuestros datos contribuirán a esa explicación», afirmó Chang.

El estudio DECADE concluye que el crecimiento de la estructura en el universo es consistente con las predicciones del modelo LCDM, lo que respalda los resultados de mediciones previas de lentes débiles.

«Además, al comparar nuestras restricciones con las derivadas y extrapoladas del CMB del universo primitivo, también coincidimos bastante», afirmó Chang. «Este último punto ha sido motivo de debate durante los últimos cinco años, aproximadamente, y con nuestros nuevos resultados, podemos afirmar que no observamos tensión entre el efecto de lente débil y el CMB».

«También podemos combinar las mediciones de efecto de lente de DECADE con las de DES, lo que resulta en un análisis de efecto de lente de galaxias que utiliza el mayor número de galaxias (270 millones) que cubren la franja de cielo más amplia (13 000 grados cuadrados) hasta la fecha», añadió Anbajagane. «Dada esta gran cantidad de datos, podemos tomar decisiones particularmente conservadoras en nuestro análisis —como realizar o utilizar únicamente las mediciones en las que más confiamos, en lugar de todas las mediciones útiles o posibles— y, aun así, obtener una medición con la precisión suficiente para fundamentar nuestras comparaciones con el CMB». Un estudio no convencional de lente débil
El proyecto DECADE verifica de forma independiente la consistencia entre las mediciones del CMB y de lente débil en una zona del cielo completamente diferente, pero de tamaño similar, obtenidas del DES. Sin embargo, este resultado no era un hecho al inicio del proyecto, señala Alex Drlica-Wagner, científico del Fermilab y profesor asociado de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Chicago, quien dirigió la campaña de observación de DECADE.

«No estaba claro si el conjunto de datos de DECADE tendría la calidad suficiente para realizar un análisis cosmológico, pero hemos demostrado que, de hecho, puede producir resultados robustos», añadió.

«Un resultado único de este trabajo se relaciona con las decisiones que tomamos sobre la calidad de las imágenes», afirmó Anbajagane. Un estudio convencional centrado en la lente débil toma casi cien mil imágenes dedicadas a lo largo de muchos años; sin embargo, muchas se descartan porque, por ejemplo, la calidad de la imagen no cumple con los criterios establecidos.

El proyecto DECADE es único, ya que reutiliza datos de archivo (imágenes tomadas originalmente por la comunidad astronómica para una amplia variedad de objetivos científicos, desde el estudio de galaxias enanas hasta estrellas y cúmulos de galaxias distantes) y utiliza criterios significativamente más permisivos para la calidad de las imágenes. Nuestro trabajo demuestra que se pueden realizar análisis robustos de lentes incluso sin campañas de imágenes dedicadas a este tipo de lentes», afirmó.

Esto cambia la perspectiva que los astrónomos podrían tener sobre futuros análisis de lentes, como los del sondeo Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Dichos análisis podrían utilizar más imágenes de las que se habrían utilizado de otro modo, mejorando la precisión con la que los astrónomos miden las propiedades cosmológicas. La capacidad del proyecto DECADE para utilizar estos datos de imágenes de archivo también se debió en gran medida a la meticulosa inspección de las imágenes, una tarea dirigida por Chin Yi Tan, estudiante de doctorado en Física.

El catálogo completo, combinado con DES, cubre aproximadamente un tercio del cielo (13 000 grados cuadrados) y contiene 270 millones de galaxias. Este catálogo se publicó a la comunidad científica este otoño y ya ha despertado el interés de cosmólogos y astrónomos. Por ejemplo, los datos de imágenes del equipo se han utilizado para estudiar galaxias enanas y crear mapas de la masa del universo.

«Estamos trabajando activamente en la aplicación de otros métodos de análisis a nuestros datos junto con expertos del Instituto Kavli de Física Cosmológica», declaró Anbajagane.

Científicos de la Universidad de Chicago, Fermilab y NCSA en la UIUC unieron fuerzas con investigadores de Argonne, la Universidad de Wisconsin-Madison y muchas otras instituciones de todo el mundo para llevar a cabo el análisis DECADE.

«Fue muy especial tener todos estos diferentes componentes reunidos en el mismo pasillo», afirmó Chang. «También nos permitió aprender unos de otros, lo que resultó en un resultado inesperado pero maravilloso para este proyecto».

Con información de The Open Journal of Astrophysics