Los astrofísicos tienen una comprensión bastante precisa de cómo envejece el universo:esa es la conclusión de los nuevos resultados del Dark Energy Survey (DES), una gran colaboración científica internacional, incluidos investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, que ponen a los modelos de formación y evolución de estructuras cósmicas a la prueba más precisa hasta ahora.

Los investigadores de la encuesta analizaron la luz de 26 millones de galaxias para estudiar cómo las estructuras del universo han cambiado durante los últimos 7 mil millones de años, la mitad de la edad del universo. Los datos se tomaron con el DECam, una cámara de 570 megapíxeles acoplada al Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile.

Previamente, la prueba más precisa de modelos cosmológicos provino de mediciones con el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea de lo que se conoce como fondo cósmico de microondas (CMB):un tenue resplandor en el cielo emitido 380, 000 años después del Big Bang.

"Mientras Planck observaba la estructura del universo primitivo, DES ha medido estructuras que evolucionaron mucho más tarde, "dijo Daniel Gruen, becario postdoctoral Einstein de la NASA en el Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC), un instituto conjunto de la Universidad de Stanford y SLAC. "El crecimiento de estas estructuras desde las primeras edades del universo hasta hoy concuerda con lo que predicen nuestros modelos, mostrando que podemos describir muy bien la evolución cósmica ".

Gruen presentará los resultados, que se basan en el primer año de datos de la encuesta de 5 años, hoy en la reunión de la División de Partículas y Campos de 2017 de la Sociedad Estadounidense de Física en el Laboratorio Nacional Acelerador Fermi del DOE.

Miembro de la facultad de KIPAC Risa Wechsler, miembro fundador de DES, dijo, "Por primera vez, la precisión de los parámetros cosmológicos clave que surgen de un estudio de galaxias es comparable a los derivados de las mediciones del fondo cósmico de microondas. Esto nos permite probar nuestros modelos de forma independiente y combinar ambos enfoques para obtener valores de parámetros con una precisión sin precedentes ".

Mapa más grande de distribución masiva

El modelo estándar de cosmología, llamado Lambda-CDM, incluye dos ingredientes clave. Materia oscura fría (CDM), una forma invisible de materia que es cinco veces más frecuente que la materia regular, se agrupa y está en el centro de la formación de estructuras como las galaxias y los cúmulos de galaxias. Lambda, la constante cosmológica, describe la expansión acelerada del universo, impulsado por una fuerza desconocida conocida como energía oscura.

Los astrofísicos necesitan pruebas precisas del modelo porque sus ingredientes no son completamente seguros. La materia oscura nunca se ha detectado directamente. La energía oscura es aún más misteriosa, y no se sabe si en realidad es una constante o cambia con el tiempo.

DES ahora ha logrado llevar a cabo una prueba de precisión de este tipo. Los científicos utilizaron el hecho de que las imágenes de galaxias lejanas se distorsionan ligeramente por la gravedad de las galaxias en primer plano, un efecto conocido como lente gravitacional débil. Este análisis condujo al mapa más grande jamás construido para la distribución de la masa, tanto la materia regular como la oscura, en el universo. así como su evolución en el tiempo.

"Dentro de una barra de error de menos del 5 por ciento, los resultados combinados de Planck y DES son consistentes con Lambda-CDM, "Wechsler dijo." Esto también significa que, hasta aquí, no necesitamos nada más que una forma constante de energía oscura para describir la historia de expansión del universo ".

Contribuciones clave de KIPAC

Además de Gruen, quién dirigió el grupo de trabajo de lentes débiles, y Wechsler, cuyo grupo proporcionó simulaciones realistas de la encuesta críticas para probar varios aspectos del análisis cosmológico, un gran número de científicos de KIPAC, becarios postdoctorales, Los estudiantes graduados y ex alumnos han hecho contribuciones cruciales al DES, desde la construcción del instrumento hasta el desarrollo de la teoría y las simulaciones y el análisis de los datos.

Becaria postdoctoral Elisabeth Krause, por ejemplo, lidera el grupo de trabajo de teoría DES y sondas combinadas. En ese papel, lideró el desarrollo de modelos teóricos que coinciden con la precisión experimental obtenida con los datos del DES. Esto implicó escribir códigos de computadora que calculan cómo deberían verse las lentes gravitacionales débiles para un modelo dado.

"Diferentes personas desarrollan códigos ligeramente diferentes que están destinados a hacer lo mismo, ", dijo." Ayudé a reunir a los desarrolladores de código para verificar sus resultados y asegurarme de que obtenemos los códigos teóricos más precisos posibles ".

Otra clave para la creación del mapa de distribución de masa fue determinar con precisión las distancias a las galaxias observadas, información que generalmente se deriva de estudios independientes que analizan las propiedades de la luz proveniente de esos objetos o de estrellas en explosión.

"Hemos demostrado que podemos usar el color de ciertas galaxias rojas (el rojo es el color que tendrían si estuvieras justo enfrente de ellas) para determinar qué tan lejos están, "dijo el científico del personal de SLAC Eli Rykoff, que tuvo un papel protagónico en esta parte del análisis. "Resulta que si mapeamos dónde están estas galaxias rojas en el cielo, podemos usarlos para calibrar las distancias de las lentes y las galaxias de fondo utilizadas en el estudio ".

Hacia una percepción cósmica aún más profunda

En el futuro cercano, más datos de DES permitirán a los astrofísicos probar sus modelos cosmológicos con aún más precisión. El análisis de los datos recopilados durante los primeros tres años de la encuesta comenzará pronto, y el quinto año de observaciones también estará pronto en marcha.

Con datos aún mejores, los investigadores dijeron, podríamos averiguar si es necesario modificar el modelo Lambda-CDM relativamente simple.

"Los métodos desarrollados para DES y la experiencia que están adquiriendo sus investigadores a lo largo del camino también beneficiarán el flujo natural de experimentos en constante evolución, "dijo el miembro de la facultad de KIPAC David Burke, jefe del grupo DES de SLAC.

Ambos prepararán a los científicos para futuras encuestas, incluidos los que tienen el Large Synoptic Survey Telescope (LSST). Con su cámara de 3,2 gigapíxeles, que está en construcción en SLAC, Los astrofísicos podrán explorar las profundidades de nuestro universo como nunca antes.