Una colaboración dirigida por científicos de la Universidad de Nagoya en Japón ha investigado la naturaleza de la materia oscura que rodea a las galaxias vistas como eran hace 12 mil millones de años, miles de millones de años más atrás que nunca. Sus hallazgos, publicados en Physical Review Letters , ofrecen la tentadora posibilidad de que las reglas fundamentales de la cosmología puedan diferir al examinar la historia temprana de nuestro universo.

Ver algo que sucedió hace tanto tiempo es difícil. Debido a la velocidad finita de la luz, las galaxias distantes no aparecen como son hoy, sino como eran hace miles de millones de años. Pero aún más desafiante es observar la materia oscura, que no emite luz.

Considere una galaxia de origen distante, incluso más lejos que la galaxia cuya materia oscura se quiere investigar. La atracción gravitatoria de la galaxia en primer plano, incluida su materia oscura, distorsiona el espacio y el tiempo circundantes, como predice la teoría general de la relatividad de Einstein. A medida que la luz de la galaxia fuente viaja a través de esta distorsión, se dobla y cambia la forma aparente de la galaxia. Cuanto mayor es la cantidad de materia oscura, mayor es la distorsión. Por lo tanto, los científicos pueden medir la cantidad de materia oscura alrededor de la galaxia en primer plano (la galaxia "lente") a partir de la distorsión.

Sin embargo, más allá de cierto punto, los científicos encuentran un problema. Las galaxias en los confines más profundos del universo son increíblemente débiles. Como resultado, cuanto más lejos de la Tierra miramos, menos efectiva se vuelve esta técnica. La distorsión de la lente es sutil y difícil de detectar en la mayoría de los casos, por lo que se necesitan muchas galaxias de fondo para detectar la señal.

La mayoría de los estudios anteriores se han quedado atascados en los mismos límites. Incapaces de detectar suficientes galaxias fuente distantes para medir la distorsión, solo pudieron analizar la materia oscura de no más de 8 a 10 mil millones de años. Estas limitaciones dejaron abierta la cuestión de la distribución de la materia oscura entre este tiempo y hace 13.700 millones de años, alrededor del comienzo de nuestro universo.

Para superar estos desafíos y observar la materia oscura desde los confines del universo, un equipo de investigación dirigido por Hironao Miyatake de la Universidad de Nagoya, en colaboración con la Universidad de Tokio, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón y la Universidad de Princeton, utilizó una fuente diferente. de luz de fondo, las microondas liberadas del propio Big Bang.

En primer lugar, utilizando datos de las observaciones del Subaru Hyper Suprime-Cam Survey (HSC), el equipo identificó 1,5 millones de galaxias de lentes utilizando luz visible, seleccionadas para ser vistas hace 12 mil millones de años.

Luego, para superar la falta de luz de galaxias aún más lejanas, emplearon microondas del fondo cósmico de microondas (CMB), el residuo de radiación del Big Bang. Utilizando microondas observadas por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, el equipo midió cómo la materia oscura alrededor de las lentes de las galaxias distorsionaba las microondas.

"¿Mirar la materia oscura alrededor de galaxias distantes?" preguntó el profesor Masami Ouchi de la Universidad de Tokio, quien hizo muchas de las observaciones. "Fue una idea loca. Nadie se dio cuenta de que podíamos hacer esto. Pero después de dar una charla sobre una gran muestra de galaxias distantes, Hironao se me acercó y me dijo que es posible observar la materia oscura alrededor de estas galaxias con el CMB. "

"La mayoría de los investigadores usan galaxias fuente para medir la distribución de la materia oscura desde el presente hasta hace ocho mil millones de años", agregó el profesor asistente Yuichi Harikane del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio. "Sin embargo, pudimos mirar más atrás en el pasado porque usamos el CMB más distante para medir la materia oscura. Por primera vez, estábamos midiendo la materia oscura desde casi los primeros momentos del universo".

Después de un análisis preliminar, los investigadores pronto se dieron cuenta de que tenían una muestra lo suficientemente grande como para detectar la distribución de la materia oscura. Combinando la gran muestra de galaxias distantes y las distorsiones de lentes en CMB, detectaron materia oscura incluso más atrás en el tiempo, desde hace 12 mil millones de años. Esto es solo 1.700 millones de años después del comienzo del universo y, por lo tanto, estas galaxias se ven poco después de que se formaron por primera vez.

"Me alegró que abriéramos una nueva ventana a esa era", dijo Miyatake. "Hace 12 mil millones de años, las cosas eran muy diferentes. Ves más galaxias en proceso de formación que en el presente; los primeros cúmulos de galaxias también están comenzando a formarse". Los cúmulos de galaxias comprenden de 100 a 1000 galaxias unidas por la gravedad con grandes cantidades de materia oscura.

"Este resultado brinda una imagen muy consistente de las galaxias y su evolución, así como de la materia oscura dentro y alrededor de las galaxias, y cómo esta imagen evoluciona con el tiempo", dijo Neta Bahcall, profesor de astronomía Eugene Higgins, profesor de ciencias astrofísicas y director de estudios de pregrado en la Universidad de Princeton.

Uno de los hallazgos más emocionantes de los investigadores estuvo relacionado con la aglomeración de la materia oscura. De acuerdo con la teoría estándar de la cosmología, el modelo Lambda-CDM, las fluctuaciones sutiles en el CMB forman depósitos de materia densa al atraer la materia circundante a través de la gravedad. Esto crea grupos no homogéneos que forman estrellas y galaxias en estas regiones densas. Los hallazgos del grupo sugieren que su medición de la aglomeración fue más baja de lo previsto por el modelo Lambda-CDM.

Miyatake está entusiasmado con las posibilidades. "Nuestro hallazgo aún es incierto", dijo. "Pero si es cierto, sugeriría que todo el modelo tiene fallas a medida que se retrocede en el tiempo. Esto es emocionante porque si el resultado se mantiene después de que se reduzcan las incertidumbres, podría sugerir una mejora del modelo que puede proporcionar información". en la naturaleza de la materia oscura misma".

"En este punto, intentaremos obtener mejores datos para ver si el modelo Lambda-CDM es realmente capaz de explicar las observaciones que tenemos en el universo", dijo Andrés Plazas Malagón, investigador asociado de la Universidad de Princeton. "Y la consecuencia puede ser que necesitemos revisar los supuestos que se incluyeron en este modelo".

"Uno de los puntos fuertes de observar el universo mediante sondeos a gran escala, como los que se utilizan en esta investigación, es que se puede estudiar todo lo que se ve en las imágenes resultantes, desde los asteroides cercanos de nuestro sistema solar hasta los más distantes. galaxias del universo primitivo. Puede usar los mismos datos para explorar muchas preguntas nuevas", dijo Michael Strauss, profesor y presidente del Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton.

Este estudio utilizó datos disponibles de telescopios existentes, incluidos Planck y Subaru. El grupo solo ha revisado un tercio de los datos de la Encuesta Subaru Hyper Suprime-Cam. El siguiente paso será analizar todo el conjunto de datos, lo que debería permitir una medición más precisa de la distribución de la materia oscura. En el futuro, el equipo espera utilizar un conjunto de datos avanzados como el Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Observatorio Vera C. Rubin para explorar más de las primeras partes del espacio. "LSST nos permitirá observar la mitad del cielo", dijo Harikane. "No veo ninguna razón por la que no podamos ver la distribución de la materia oscura hace 13 mil millones de años". + Explora más

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