Durante más de cinco años, los científicos del Telescopio del Polo Sur en la Antártida han estado observando el cielo con una cámara mejorada. La mirada extendida hacia el cosmos está captando luz remanente de la formación temprana del universo. Ahora los investigadores han analizado un lote inicial de datos y publican los detalles en la revista Physical Review D. . Los resultados de este conjunto de datos limitado sugieren conocimientos futuros aún más poderosos sobre la naturaleza de nuestro universo.
El telescopio de la estación Amundsen-Scott del Polo Sur, operado por la Fundación Nacional de Ciencias, recibió una nueva cámara conocida como SPT-3G en 2017. Equipada con 16.000 detectores, 10 veces más que su predecesor, la SPT-3G es fundamental. a una investigación multiinstitucional dirigida en parte por el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). El objetivo es medir la luz tenue conocida como fondo cósmico de microondas (CMB). El CMB es el resplandor del Big Bang, cuando el universo surgió de un único punto de energía hace casi 14 mil millones de años.
"El CMB es un mapa del tesoro para los cosmólogos", dijo Zhaodi Pan, autor principal del artículo y becario Maria Goeppert Mayer en Argonne. "Sus minúsculas variaciones de temperatura y polarización proporcionan una ventana única a la infancia del universo."
El artículo en Physical Review D ofrece las primeras mediciones de lentes gravitacionales CMB del SPT-3G. Las lentes gravitacionales ocurren cuando la vasta red de materia del universo distorsiona el CMB mientras viaja por el espacio. Si colocaras la base curva de una copa de vino en la página de un libro, la copa deformaría tu visión de las palabras detrás de ella. De manera similar, la materia en la línea de visión del telescopio forma una lente que desvía la luz CMB y nuestra visión de ella. Albert Einstein describió esta deformación en el tejido del espacio-tiempo en su teoría de la relatividad general.
Las mediciones de esa distorsión contienen pistas sobre el universo primitivo y misterios como la materia oscura, un componente invisible del cosmos. "La materia oscura es difícil de detectar porque no interactúa con la luz ni con otras formas de radiación electromagnética. Actualmente, sólo podemos observarla a través de interacciones gravitacionales", dijo Pan.
Los científicos han estado estudiando el CMB desde que fue descubierto en la década de 1960, observándolo a través de telescopios tanto en tierra como en el espacio. Aunque el análisis más reciente utiliza solo unos pocos meses de datos de SPT-3G de 2018, la medición de lentes gravitacionales ya es competitiva en el campo.
"Una de las partes realmente interesantes de este estudio es que el resultado proviene de lo que esencialmente son datos de puesta en servicio de cuando apenas estábamos comenzando las observaciones con el SPT-3G, y el resultado ya es excelente", dijo Amy Bender, física de Argonne y coautor del artículo. "Tenemos cinco años más de datos en los que estamos trabajando para analizarlos ahora, así que esto sólo es una pista de lo que está por venir".
La atmósfera seca y estable y la ubicación remota del Telescopio del Polo Sur crean la menor interferencia posible cuando se buscan patrones de CMB. Aún así, los datos de la cámara altamente sensible SPT-3G contienen contaminación de la atmósfera, así como de nuestra propia galaxia y fuentes extragalácticas.
Analizar incluso unos pocos meses de datos del SPT-3G es una tarea que dura años, ya que los investigadores necesitan validar los datos, filtrar el ruido e interpretar las mediciones. El equipo utilizó un clúster dedicado, un grupo de computadoras, en el Centro de Recursos Informáticos del Laboratorio Argonne para ejecutar algunos de los cálculos de la investigación.
"Encontramos que los patrones de lentes observados en este estudio están bien explicados por la relatividad general", dijo Pan. "Esto sugiere que nuestra comprensión actual de la gravedad es válida para estas grandes escalas. Los resultados también fortalecen nuestra comprensión actual de cómo se formaron las estructuras de materia en nuestro universo".
Los mapas de lentes SPT-3G a partir de años adicionales de datos también ayudarán a sondear la inflación cósmica, o la idea de que el universo primitivo experimentó una rápida expansión exponencial. La inflación cósmica es "otra piedra angular de la cosmología", señaló Pan, y los científicos están buscando signos de ondas gravitacionales tempranas y otras pruebas directas de esta teoría. La presencia de lentes gravitacionales introduce interferencia con las huellas inflacionarias, lo que requiere la eliminación de dicha contaminación, que se puede calcular utilizando mediciones precisas de las lentes.
Si bien algunos resultados de los nuevos datos del SPT-3G reforzarán el conocimiento existente, otros plantearán nuevas preguntas.
"Cada vez que agregamos más datos, encontramos más cosas que no entendemos", dijo Bender, quien ocupa un puesto conjunto en la Universidad de Chicago. "A medida que vas quitando capas de esta cebolla, aprendes más y más sobre tu instrumento y también sobre tu medición científica del cielo".
Se sabe tan poco sobre los componentes invisibles del universo que cualquier comprensión obtenida es fundamental, dijo Pan:"Cuanto más aprendemos sobre la distribución de la materia oscura, más nos acercamos a comprender su naturaleza y su papel en la formación del universo en el que vivimos". hoy."
Más información: Z. Pan et al, Medición de lentes gravitacionales del fondo cósmico de microondas utilizando datos de SPT-3G 2018, Physical Review D (2023). DOI:10.1103/PhysRevD.108.122005
Información de la revista: Revisión física D
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne
