Figura 1:Vista de cerca del cúmulo de galaxias observado. La imagen es una recopilación de los datos de la banda i (en rojo) del Hyper Suprime-Cam en el telescopio Subaru y las imágenes de la banda R (en verde) y la banda V (en azul) del telescopio Mayall de 4 m en el Observatorio Nacional de Kitt Peak del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica. Las curvas de nivel muestran la distribución de masa. Los círculos rojos y azules muestran galaxias que detuvieron la formación de estrellas y galaxias con formación de estrellas, respectivamente. El equipo de investigación pudo estudiar la evolución de la estructura a gran escala en el Universo comparando la distribución de masa en el Universo y la distribución de las galaxias. Crédito:Universidad de Hiroshima / NAOJ
Un grupo de investigación dirigido por la Universidad de Hiroshima ha revelado una imagen de la fracción cada vez mayor de galaxias masivas formadoras de estrellas en el universo distante. Galaxias masivas formadoras de estrellas en el universo distante, hace unos 5 mil millones de años, rastrear la estructura a gran escala en el universo. En el universo cercano, hace unos 3 mil millones de años, las galaxias masivas formadoras de estrellas no son evidentes. Este cambio en la forma en que las galaxias formadoras de estrellas trazan la distribución de la materia es consistente con la imagen de la evolución de las galaxias establecida por otros estudios independientes.
Las galaxias del universo trazan patrones a escalas muy grandes; hay grandes regiones vacías (llamadas "vacíos") y regiones densas donde existen las galaxias. Esta distribución se llama red cósmica. Las concentraciones más masivas de galaxias son cúmulos. La formación de la red cósmica está gobernada por la acción de la gravedad sobre la misteriosa "materia oscura" invisible que existe en todo el universo. El material bariónico normal que se puede ver cae en los halos de materia oscura y forma galaxias. La acción de la gravedad a lo largo de unos 14.000 millones de años de historia del universo hace que los halos se agrupen. La ubicación de galaxias o cúmulos en esta enorme red cósmica pone a prueba nuestra comprensión de la forma en que se forma la estructura en el universo.
Cada vez más, Las observaciones más profundas y extensas con telescopios como el Telescopio Subaru proporcionan una imagen más clara de la forma en que evolucionan las galaxias dentro de la red cósmica. Por supuesto, no se puede ver la materia oscura directamente. Sin embargo, se pueden usar las galaxias que se ven para rastrear la materia oscura. También es posible utilizar la forma en que la gravedad de los cúmulos de galaxias distorsiona las galaxias de fondo más distantes, lente gravitacional débil, como otro trazador.
Figura 2:Distribución de masa (izquierda) y galaxias (derecha) en el área correspondiente. La característica llamativa en la distribución de galaxias también es visible en el lado izquierdo, distribución masiva, mientras que las áreas sin estructura a la derecha tampoco tienen ninguna característica a la izquierda. Crédito:Universidad de Hiroshima / NAOJ
El grupo de Hiroshima combinó estos dos trazadores:las galaxias y su débil señal de lente para mapear el papel cambiante de las galaxias formadoras de estrellas masivas a medida que evoluciona el universo.
La lente débil es un fenómeno que proporciona una técnica poderosa para mapear la contribución cambiante de las galaxias formadoras de estrellas como trazadoras de la red cósmica. El cúmulo de galaxias y el halo de materia oscura circundante actúan como una lente gravitacional. La lente dobla la luz que pasa a través de galaxias más distantes y distorsiona las imágenes de ellas. Las distorsiones de la apariencia de las galaxias de fondo proporcionan una imagen bidimensional de la distribución de materia oscura en primer plano que actúa como una lente enorme. La excelente imagen del telescopio Subaru que cubre grandes regiones del cielo proporciona exactamente los datos necesarios para construir mapas de esta lente débil.
Dr. Yousuke Utsumi, miembro del equipo de construcción de Hyper Suprime-Cam y profesor asistente de proyectos en la Universidad de Hiroshima, realizó una observación de 1 hora de un parche de cielo de 4 grados 2 en la dirección de la constelación de Cáncer. La Figura 1 muestra una vista de cerca de un cúmulo de galaxias con el mapa de lentes débiles que rastrea la distribución de la materia. Los picos más altos en los mapas corresponden a los cúmulos masivos de galaxias en primer plano que se encuentran a 5 mil millones de años luz de distancia.
Figura 3:La distribución de las galaxias con respecto a la distancia. Los paneles muestran la distribución tridimensional de las galaxias, visto desde el observador en la Tierra. Los puntos rojos representan galaxias inactivas y los puntos azules son galaxias formadoras de estrellas. Las cajas en el cono están a 3 y 5 mil millones de años luz del observador. Los mapas junto a las áreas cerradas muestran la distribución correspondiente de galaxias. Crédito:Universidad de Hiroshima / NAOJ
Para mapear la distribución tridimensional de las galaxias en primer plano, espectrógrafos en telescopios grandes como el MMT de 6,5 metros dispersan la luz con una rejilla. La expansión del universo cambia la luz al rojo y midiendo este cambio se miden las distancias a las galaxias. El uso de la espectroscopia coloca las galaxias en la red cósmica. Las observaciones ubican galaxias formadoras de estrellas y aquellas que ya no están formando estrellas.
Los colaboradores dirigidos por la Dra. Margaret Geller (Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica) realizaron mediciones espectroscópicas de galaxias. El instrumento Hectospec del MMT permite medir los desplazamientos al rojo de 250 galaxias a la vez. La encuesta contiene medidas para 12, 000 galaxias.
El estudio de desplazamiento al rojo MMT proporciona el mapa de la forma en que todos los tipos de galaxias podrían contribuir al mapa de lentes débiles. Debido a que el estudio MMT proporciona distancias a las galaxias, También se pueden hacer cortes del mapa a diferentes distancias correspondientes a diferentes épocas de la historia del universo y compararlos con el mapa de lentes.
Figura 4:Primeros planos del cúmulo de galaxias a 3 mil millones de años luz (arriba) y 5 mil millones de años luz (abajo). Estos paneles muestran la distribución de masa (izquierda), galaxias inactivas (centro), y galaxias formadoras de estrellas (derecha), respectivamente. Hace tres mil millones de años, Es difícil ver alguna similitud entre las galaxias formadoras de estrellas y la distribución de masa, pero hay una similitud mucho mayor en los mapas de hace 5 mil millones de años. Crédito:Universidad de Hiroshima / NAOJ
El estudio MMT proporciona un mapa predicho de la red cósmica basado en las posiciones de las galaxias en el espacio tridimensional. El equipo de investigación comparó este mapa con el mapa de lentes débiles para descubrir las similitudes. La Figura 2 muestra que tanto el pico más alto como las regiones vacías más grandes son similares en los dos mapas. En otras palabras, la distribución de materia trazada por las galaxias en primer plano y la distribución trazada por el mapa de lentes débiles de Subaru son similares. Hay dos visiones complementarias de la red cósmica en este parche del universo.
Si cortan el mapa tridimensional en diferentes corrimientos al rojo o porciones de tiempo, pueden examinar la forma en que cambia la correspondencia entre estos mapas y el mapa de lentes débiles para diferentes cortes (Figura 3). Notablemente, la distribución de las galaxias formadoras de estrellas alrededor de un cúmulo de galaxias en el universo más distante (hace 5 mil millones de años) se corresponde mucho más con el mapa de lentes débiles que una porción del universo más cercano (hace 3 mil millones de años). En otras palabras, la contribución de las galaxias formadoras de estrellas a la red cósmica es más prominente en el universo distante. Estos mapas son la primera demostración de este efecto en la señal de lente débil (Figura 4).
El equipo de investigación proporciona una nueva ventana sobre la evolución de las galaxias al comparar la distribución de galaxias tridimensional mapeada con un estudio de desplazamiento al rojo que incluye galaxias formadoras de estrellas con un mapa de lentes débiles basado en imágenes de Subaru.
"Resulta que la contribución de las galaxias formadoras de estrellas como trazadoras de la distribución de masa en el universo distante no es despreciable, ", dijo el Dr. Utsumi." El mapa de lentes débiles de HSC debería contener señales de galaxias más distantes en el universo de 8 mil millones de años. Los estudios de desplazamiento al rojo más profundos combinados con mapas de lentes débiles similares deberían revelar una contribución aún mayor de las galaxias formadoras de estrellas como trazadoras de la distribución de la materia en este rango de desplazamiento al rojo más alto. Usando el espectrógrafo de próxima generación para el telescopio Subaru, Espectrógrafo de enfoque primario (PFS), esperamos extender nuestros mapas a la era interesante ".
