La galaxia más lejana jamás observada está tan lejos que la luz de las estrellas que ahora detectamos se emitió menos de 500 millones de años después del Big Bang. Han tardado unos 13.000 millones de años en llegar hasta nosotros. Pero hay muchas cosas sobre una galaxia que no podemos ver. Por ejemplo, creemos que las galaxias están inmersas en gigantescos "halos" de una sustancia invisible denominada materia oscura. Los científicos realmente no saben qué es la materia oscura, pero saben que existe porque ejerce una atracción gravitacional sobre la materia circundante.

Ahora nuestra nueva investigación, publicado en Astronomía de la naturaleza , presenta una forma en la que podríamos aprender cómo han evolucionado las galaxias dentro de este extraño, materia oscura a lo largo de la mayor parte del tiempo cósmico.

Que podamos ver la luz emitida hace 13 mil millones de años puede sonar asombroso. Pero en realidad podemos ver la luz emitida incluso antes, antes de que se formaran las galaxias. Durante unos cientos de milenios después de su formación, el universo era un lío caliente de partículas de luz (fotones), protones y electrones cargados eléctricamente (plasma), así como materia oscura. Los fotones quedaron atrapados entre el plasma:continuamente "dispersos" en direcciones aleatorias por interacciones casi constantes con los electrones libres.

Como tratar de atravesar una multitud bulliciosa habitación, la longitud de trayectoria promedio de cada fotón era muy corta antes de su próxima interacción. Esto hizo que el universo se volviera opaco:si estuviera tratando de mirar a través de este medio, sería como mirar dentro de un banco de niebla.

Pero 380, 000 años después del Big Bang, el universo se había expandido y enfriado hasta un punto en el que los electrones libres podían unirse a los protones para formar átomos de hidrógeno. La dispersión cesó rápidamente, permitiendo que los fotones fluyan libremente a través del universo sin electrones libres en el camino.

Como esta transición ocurrió en todas partes del universo con bastante rapidez, desde nuestro punto de vista, es como si todos estos fotones se hubieran liberado repentinamente del interior de una enorme capa que contiene la sopa opaca de partículas y materia oscura. Efectivamente, este "caparazón" es el "objeto" más lejano que podemos ver, a una distancia de 45 mil millones de años luz. Los científicos la llaman la superficie de la última dispersión.

Viajando por el cosmos estos fotones pierden energía a medida que el universo continúa expandiéndose, estirando sus longitudes de onda. Y podemos detectarlos en el fondo cósmico de microondas, o CMB, que es la radiación sobrante del nacimiento del universo.

Una luz de fondo cósmica

Hemos estudiado el CMB durante décadas:mucha información sobre las propiedades del universo temprano está codificada en su luz. Pero recientemente ha sido posible extraer aún más información aprovechando el hecho de que cada fotón de esta radiación ha tenido que viajar a través de un universo que está lleno de materia.

La teoría de la relatividad general de Einstein describe la gravedad como una distorsión del espacio-tiempo debido a la presencia de un objeto con masa. Esta distorsión puede desviar las trayectorias de los fotones que pasan por el objeto, un fenómeno conocido como lente gravitacional. Entonces, al observar cómo se desvía la luz de alguna fuente de fondo (como una galaxia) debido a un objeto frente a ella, podemos calcular las propiedades de ese objeto en primer plano.

La superficie de la última dispersión actúa como una luz de fondo cósmica, brillando a través de todos la materia en el universo. Como resultado, los fotones del CMB son lentes gravitacionales por la materia que interviene entre la superficie y nosotros. Nuestra vista del CMB es como nuestra vista de un paisaje distante visto a través de un cristal de ventana plagado de sutiles imperfecciones.

Notablemente, ahora podemos mapear estas imperfecciones en el cielo, proporcionándonos un medio para "ver" la huella gravitacional de toda la masa en el universo observable. Esto nos está dando una nueva forma de estudiar las galaxias. Por ejemplo, podemos medir la cantidad de lentes CMB en diferentes direcciones y pesar las estructuras cósmicas simplemente mirando cuánto han desviado la luz CMB. Esto es lo que acabamos de hacer con los objetos más masivos del universo:cúmulos de galaxias.

Una nueva forma de pesar

Los cúmulos de galaxias no solo contienen galaxias:el espacio entre las galaxias está lleno de un plasma caliente, y las galaxias y el gas están sumergidos en materia oscura. Sume todo y la masa total supera los cien mil billones de soles, creando grandes valles en el espacio-tiempo.

Los científicos han estado buscando durante mucho tiempo un método confiable para traducir el número de galaxias en cúmulos en la masa total de materia oscura. gas y estrellas. Podemos utilizar nuevos mapas de lentes del CMB para este propósito. Los mapas de lentes se construyen examinando mapas de las fluctuaciones de temperatura del CMB. En regiones donde los fotones CMB se han desviado fuertemente, una firma sutil está impresa en la distribución de temperatura. Filtrar con cuidado el mapa de temperatura revela el patrón de lente a través del cielo.

Midiendo la deflexión promedio de los fotones CMB alrededor de los cúmulos, Hemos mostrado cómo la cantidad de deflexión y, por lo tanto, la masa total presente, incluida la materia oscura, depende del número de galaxias del cúmulo. En efecto, estamos viendo la huella en el espacio-tiempo de los halos masivos de materia oscura.

Usando lentes gravitacionales para revelar las distorsiones en el espacio-tiempo alrededor de galaxias y cúmulos, y, por tanto, aprender algo sobre su distribución masiva, no es nuevo. Pero la mayoría de los estudios previos involucran la lente de la luz proveniente de otro galaxias de fondo, en lugar del CMB.

El uso del CMB como fuente de luz ofrece enormes ventajas. Mientras la superficie de la última dispersión se ilumina todos objetos frente a él, podemos examinar la relación entre las galaxias luminosas y las estructuras de materia oscura que habitan más atrás en la historia cósmica de lo que ha sido posible hasta ahora.

Las estructuras de materia oscura no solo han evolucionado constantemente a través de la gravedad, sabemos que las propiedades de las galaxias, como su masa y su velocidad de formación de estrellas, dependen en gran medida de su entorno a gran escala. Todavía no entendemos completamente ese vínculo, pero la lente CMB podría, en última instancia, ayudarnos a descifrar cómo sucede.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.