Cosmología de vanguardia: los resultados del Dark Energy Survey

• Título: Dark Energy Survey Year 1 Results: Cosmological Constraints from Galaxy Clustering and Weak Lensing
• Autores: DES Collaboration

Una pregunta tan simple como: “¿de qué está hecho el Universo?” puede ser muy difícil de responder. Hace poco, en este astrobito, aprendimos que los componentes del Universo están escritos en el fondo cósmico de microondas, luz que fue emitida 300.000 años después del Big Bang y que aún hoy llega a nuestros telescopios. Según los últimos resultados del satélite Planck (Figura 1), nuestro Universo está compuesto por un 4.9% de materia ordinaria, el resto de sus componentes aún hoy eluden explicación. Se trata de la materia oscura (materia que es sensible a la gravedad, pero que no podemos ver) en un 26.8% y energía oscura (responsable por la expansión acelerada del Universo) en un 68.3%.

Figura 1. El mapa del satélite Planck de la radiación cósmica de microondas en todo el cielo. Las fluctuaciones en el mapa representan regiones del Universo que estaban a distintas temperaturas cuando éste tenía 380.000 años. A partir de este mapa sabemos que el Universo está compuesto en un 4.9% por materia ordinaria, 26.8% por materia oscura y 68.3% por energía oscura. Crédito: ESA and the Planck Collaboration.

¿Cómo podemos elucidar la naturaleza de estos componentes? Pues bien, no nos basta con observar el Universo infante de las épocas del fondo cósmico de microondas. ¿Por qué no estudiar otras épocas? ¿Qué diferencias o similitudes podemos encontrar entre distintos análisis y cómo podemos poner a prueba distintos modelos que expliquen las misteriosas componentes oscuras? El Dark Energy Survey, cuyos resultados presentamos hoy, está llevando a cabo precisamente este programa de investigación. Se trata de una colaboración de más de 400 científicos de 25 instituciones en 7 países, quienes juntos han llevado adelante este proyecto.

Como muchos otros sondeos (o “surveys” en inglés), el Dark Energy Survey ha construido una base de datos a fuerza de tomar múltiples imágenes de zonas consecutivas en el cielo a través de distintos filtros de color usando el telescopio Blanco, en Chile. En cada imagen pueden identificarse galaxias, con sus formas particulares (ya sea elípiticas, espirales o irregulares). La posibilidad de observar una galaxia en distintos colores permite tener una idea aproximada de su distancia utilizando el principio de que cuanto más lejos se encuentre, su espectro será más rojizo. Esta técnica se conoce como “corrimiento al rojo fotométrico”. Así pues, es posible obtener un mapa tridimensional aproximado de la distribución de galaxias y sus formas a través de la historia del Universo. Cuán lejos puede llegar este mapa depende de la profundidad de las imágenes obtenidas.

Figura 2. Esta es la imagen de un cúmulo o aglomeración de galaxias tomada con el telescopio espacial Hubble. Estas aglomeraciones de materia son también “lentes gravitacionales”: distorsionan las formas de las galaxias detrás de ellas. Crédito: NASA, ESA, M. Postman (STScI), and the CLASH team.

A partir de este mapa, se pueden medir dos observables fundamentales en cosmología. El primero es la aglomeración espacial de las galaxias, es decir, cuántos pares de galaxias hay separados por cierta distancia, en comparación con una distribución uniforme. En la época en la que el fondo cósmico de microondas fue emitido, el Universo era un plasma ionizado cuya densidad y temperatura variaba en distintas regiones. Estas variaciones (minúsculas) son las que observamos en el fondo de microondas. Con el tiempo y a medida que el Universo se expandía, ese plasma fue enfriándose y la gravedad hizo que regiones inicialmente más densas colapsaran para formar estrellas y galaxias. Esa misma fuerza de gravedad genera una aglomeración de galaxias: regiones más densas atraen más material y más galaxias, de manera que existen “cúmulos” muy densos, llenos de galaxias, así como gigantescos vacíos cósmicos.

El segundo observable que nos interesa hoy es el fenómeno de lentes gravitacionales (Figura 2). Según la teoría de la relatividad de Einstein, la luz que nos llega de galaxias distantes no viaja en línea recta, sino que su camino es distorsionado por el efecto de la gravedad. Este fenómeno hace que veamos las formas de las galaxias distorsionadas, como a través de una lupa, que es la red de materia que hay en el Universo. Es posible medir esas pequeñas distorsiones, lo cuál nos permite saber cuánta materia había en cierta época y cómo se distribuía. Evidentemente, los dos observables se relacionan con la distribución total de materia y están inter-conectados, de manera que no sólo es posible medir las deformaciones de dos galaxias separadas por cierta distancia, sino también la deformación alrededor de galaxias aglomeradas.

Midiendo estos dos efectos, los científicos del Dark Energy Survey han obtenido los resultados más poderosos al momento en este tipo de análisis acerca de la composición y naturaleza de nuestro Universo en escalas cosmológicas. Estos resultados están encapsulados en ciertos parámetros (Figura 3) :

• w: Este parámetro representa la ecuación de estado de la “energía oscura”. Si la energía oscura es modelada como un fluido, con cierta presión y densidad, w representa el cociente entre estas dos cantidades. Un valor de w=-1 sugiere que no se requieren modificaciones a la Relatividad General para entender la energía oscura. En el futuro, los contornos que se ven en los paneles de la Figura 3 se harán más pequeños, permitiéndonos explorar en más detalles posibles desviaciones de la Relatividad General.
• Ω_m: Este parámetro representa la fracción de materia en el Universo en la época actual.
• S₈: Éste es un parámetro que combina la fracción de materia en el Universo con la amplitud de las fluctuaciones en el campo de densidad. En otras palabras, nos dice cuán significativas son las aglomeraciones de materia hoy en día.

Los resultados que se presentan en el artículo corresponden únicamente a los datos tomados durante el primer año de funcionamiento del sondeo (sólo discutimos algunos de ellos aquí). Estos resultados son compatibles con aquellos obtenidos por el satélite Planck. Con 4 años más de datos por venir, éste es solo el comienzo. Podemos esperar que el Dark Energy Survey arroje aún mejores resultados en los próximos años, poniendo a prueba nuestro modelo del Universo y ayudándonos a entender sus componentes oscuros. Otros sondeos, como el Kilo-Degree Survey (que ya ha completado parte de su análisis) y el HyperSuprime-Cam survey también continúan su recabado y análisis de datos. La consistencia entre los resultados de todos estos experimentos es crucial para construir nuestro modelo del Universo. En el futuro, también podemos esperar que nuevos observables de estos y otros sondeos se sumen al juego.

Crédito de imagen de portada: Reidar Hahn, Fermilab, “Blanco Telescope Dome and Milky Way”

Figura 3. Los parámetros cosmológicos según los resultados del Dark Energy Survey.  Los resultados en verde se refieren únicamente al análisis de las lentes gravitacionales. Los resultados en rojo corresponden al análisis del aglomeración de las galaxias combinado con la medición de la distorsión provocada por una lente alrededor de una galaxia. Los resultados en azul combinan todos los observables. Las distribuciones en los paneles superiores representan la distribución de probabilidad de cada parámetro (la zona llena representa 68% de probabilidad). Los contornos llenos determinan las zonas preferidas para los combinaciones de parámetros a partir de los datos.  Crédito: Figura 8 del artículo.