Los investigadores han canalizado la luz más temprana del universo, una reliquia de la formación del universo conocida como fondo cósmico de microondas (CMB), para resolver un misterio de materia faltante y aprender cosas nuevas sobre la formación de galaxias. Su trabajo también podría ayudarnos a comprender mejor la energía oscura y probar la teoría de la relatividad general de Einstein al proporcionar nuevos detalles sobre la velocidad a la que las galaxias se mueven hacia nosotros o se alejan de nosotros.

La materia oscura invisible y la energía oscura representan aproximadamente el 95% de la masa y la energía totales del universo, y la mayoría del 5% que se considera materia ordinaria tampoco se ve en gran medida, como los gases en las afueras de las galaxias que componen sus llamados halos.

La mayor parte de esta materia ordinaria está formada por neutrones y protones, partículas llamadas bariones que existen en los núcleos de átomos como el hidrógeno y el helio. Solo alrededor del 10% de la materia bariónica está en forma de estrellas, y la mayor parte del resto habita el espacio entre galaxias en hebras de calor, materia esparcida conocida como medio intergaláctico cálido-caliente, o WHIM.

Debido a que los bariones están tan dispersos en el espacio, Ha sido difícil para los científicos obtener una imagen clara de su ubicación y densidad alrededor de las galaxias. Debido a esta imagen incompleta de dónde reside la materia ordinaria, la mayoría de los bariones del universo se pueden considerar "perdidos".

Ahora, un equipo internacional de investigadores, con contribuciones clave de físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y la Universidad de Cornell, ha mapeado la ubicación de estos bariones faltantes proporcionando las mejores medidas, hasta la fecha, de su ubicación y densidad alrededor de grupos de galaxias.

Resulta que los bariones están en halos de galaxias después de todo, y que estos halos se extienden mucho más allá de lo que los modelos populares habían predicho. Si bien la mayoría de las estrellas de una galaxia individual se encuentran típicamente dentro de una región de aproximadamente 100, 000 años luz del centro de la galaxia, estas medidas muestran que para un grupo dado de galaxias, los bariones más distantes pueden extenderse a unos 6 millones de años luz desde su centro.

Paradójicamente, esta materia faltante es aún más difícil de trazar que la materia oscura, que podemos observar indirectamente a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia normal. La materia oscura es la materia desconocida que constituye aproximadamente el 27% del universo; y energía oscura, que está separando la materia en el universo a un ritmo acelerado, constituye aproximadamente el 68% del universo.

"Sólo un pequeño porcentaje de la materia ordinaria está en forma de estrellas. La mayor parte está en forma de gas que generalmente es demasiado débil". demasiado difuso para poder detectar, "dijo Emmanuel Schaan, Chamberlain Postdoctoral Fellow en la División de Física de Berkeley Lab y autor principal de uno de los dos artículos sobre los bariones perdidos, publicado el 15 de marzo en la revista Revisión física D .

Los investigadores utilizaron un proceso conocido como efecto Sunyaev-Zel'dovich que explica cómo los electrones CMB obtienen un impulso de energía a través de un proceso de dispersión a medida que interactúan con los gases calientes que rodean los cúmulos de galaxias.

"Esta es una gran oportunidad para mirar más allá de las posiciones de las galaxias y de las velocidades de las galaxias, "dijo Simone Ferraro, becario de división en la división de física de Berkeley Lab que participó en ambos estudios. "Nuestras mediciones contienen mucha información cosmológica sobre qué tan rápido se mueven estas galaxias. Complementará las mediciones que hacen otros observatorios, y hacerlos aún más poderosos, " él dijo.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell, compuesto por la investigadora asociada Stefania Amodeo, profesor asistente. Profesor Nicholas Battaglia, y la estudiante de posgrado Emily Moser, dirigió el modelado y la interpretación de las mediciones, y exploró sus consecuencias para la formación de galaxias y lentes gravitacionales débiles.

Los algoritmos informáticos que desarrollaron los investigadores deberían resultar útiles para analizar datos de "lentes débiles" de experimentos futuros con alta precisión. Los fenómenos de lentes ocurren cuando objetos masivos como galaxias y cúmulos de galaxias están alineados aproximadamente en una línea particular de sitio, de modo que las distorsiones gravitacionales realmente doblan y distorsionan la luz del objeto más distante.

La lente débil es una de las principales técnicas que utilizan los científicos para comprender el origen y la evolución del universo. incluido el estudio de la materia oscura y la energía oscura. Conocer la ubicación y distribución de la materia bariónica pone estos datos al alcance de la mano.

"Estas mediciones tienen profundas implicaciones para lentes débiles, y esperamos que esta técnica sea muy eficaz para calibrar futuras encuestas con lentes débiles, "Dijo Ferraro.

Schaan señaló, "También obtenemos información que es relevante para la formación de galaxias".

En los últimos estudios, researchers relied on a galaxies dataset from the ground-based Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) in New Mexico, and CMB data from the Atacama Cosmology Telescope (ACT) in Chile and the European Space Agency's space-based Planck telescope. Berkeley Lab played a leading role in the BOSS mapping effort, and developed the computational architectures necessary for Planck data-processing at NERSC.

The algorithms they created benefit from analysis using the Cori supercomputer at Berkeley Lab's DOE-funded National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). The algorithms counted electrons, allowing them to ignore the chemical composition of the gases.

"Es como una marca de agua en un billete de banco, " Schaan explained. "If you put it in front of a backlight then the watermark appears as a shadow. For us the backlight is the cosmic microwave background. Sirve para iluminar el gas desde atrás, para que podamos ver la sombra a medida que la luz CMB viaja a través de ese gas ".

Ferraro said, "It's the first really high-significance measurement that really pins down where the gas was."

The new picture of galaxy halos provided by the "ThumbStack" software that researchers created:massive, fuzzy spherical areas extending far beyond the starlit regions. This software is effective at mapping those halos even for groups of galaxies that have low-mass halos and for those that are moving away from us very quickly (known as "high-redshift" galaxies).

New experiments that should benefit from the halo-mapping tool include the Dark Energy Spectroscopic Instrument, the Vera Rubin Observatory, the Nancy Grace Roman Space Telescope, and the Euclid space telescope.