Cómo ver lo invisible: Usando la distribución de materia oscura para probar nuestro modelo cosmológico

Cómo ver lo invisible: Usando la distribución de materia oscura para probar nuestro modelo cosmológico

Sello de tiempo: 8 de abril de 2023 10:11 a. M.
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08 abr 2023 (Noticias de Nanowerk) Se siente como una paradoja clásica: ¿Cómo ves lo invisible? Pero para los astrónomos modernos, es un desafío muy real: ¿Cómo se mide la materia oscura, que por definición no emite luz? La respuesta: Ves cómo impacta las cosas que puedes ver. En el caso de la materia oscura, los astrónomos observan cómo la luz de las galaxias distantes se curva a su alrededor. Un equipo internacional de astrofísicos y cosmólogos ha pasado el año pasado desentrañando los secretos de este escurridizo material, utilizando sofisticadas simulaciones por computadora y las observaciones de una de las cámaras astronómicas más poderosas del mundo, la Hyper Suprime-Cam (HSC). El equipo está dirigido por astrónomos de la Universidad de Princeton y las comunidades astronómicas de Japón y Taiwán, utilizando datos de los primeros tres años del estudio del cielo HSC, un estudio de imágenes de campo amplio realizado con el telescopio Subaru de 8.2 metros en la cima de Maunakea en Hawái. Subaru es operado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón; su nombre es la palabra japonesa para el grupo de estrellas que llamamos las Pléyades. El equipo presentó sus hallazgos en un seminario web al que asistieron más de 200 personas y compartirán su trabajo en la conferencia "Future Science with CMB x LSS" en Japón.

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“Nuestro objetivo general es medir algunas de las propiedades más fundamentales de nuestro universo”, dijo Roohi Dalal, estudiante de posgrado en astrofísica en Princeton. “Sabemos que la energía oscura y la materia oscura constituyen el 95 % de nuestro universo, pero entendemos muy poco sobre lo que realmente son y cómo han evolucionado a lo largo de la historia del universo. Grupos de materia oscura distorsionan la luz de galaxias distantes a través de lentes gravitacionales débiles, un fenómeno predicho por la Teoría General de la Relatividad de Einstein. Esta distorsión es un efecto muy, muy pequeño; la forma de una sola galaxia está distorsionada en una cantidad imperceptible. Pero cuando hacemos esa medida para 25 millones de galaxias, podemos medir la distorsión con bastante precisión”. Para saltar al remate: el equipo ha medido un valor para la "grumosidad" de la materia oscura del universo (conocida por los cosmólogos como "S8”) de 0.776, que se alinea con los valores que otros estudios de lentes gravitacionales han encontrado al observar el universo relativamente reciente, pero no se alinea con el valor de 0.83 derivado del Fondo Cósmico de Microondas, que se remonta a los orígenes del universo. La brecha entre estos dos valores es pequeña, pero a medida que más y más estudios confirman cada uno de los dos valores, no parece ser accidental. Las otras posibilidades son que haya algún error o error aún no reconocido en una de estas dos medidas o que el modelo cosmológico estándar esté incompleto de alguna manera interesante. “Todavía estamos siendo bastante cautelosos aquí”, dijo Michael Strauss, presidente del Departamento de Ciencias Astrofísicas de Princeton y uno de los líderes del equipo HSC. “No estamos diciendo que acabamos de descubrir que la cosmología moderna está completamente equivocada porque, como ha enfatizado Roohi, el efecto que estamos midiendo es muy sutil. Ahora, creemos que hemos hecho bien la medición. Y las estadísticas muestran que solo hay una posibilidad entre 20 de que se deba al azar, lo cual es convincente pero no completamente definitivo. Pero a medida que nosotros en la comunidad astronómica llegamos a la misma conclusión en múltiples experimentos, mientras seguimos haciendo estas mediciones, tal vez estemos descubriendo que es real”. Pléyades Este grupo de estrellas, conocido como las Pléyades por los astrónomos occidentales, se conoce como Subaru en Japón y da su nombre al telescopio Subaru de 8.2 metros en la cima de Maunakea en Hawai'i. Subaru es operado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón. (Imagen: NASA, ESA, AURA/Caltech, Observatorio Palomar)

Ocultar y descubrir los datos

La idea de que se necesita algún cambio en el modelo cosmológico estándar, de que hay una parte fundamental de la cosmología aún por descubrir, es deliciosamente tentadora para algunos científicos. “Somos seres humanos y tenemos preferencias. Es por eso que hacemos lo que llamamos un análisis 'ciego'”, dijo Strauss. “Los científicos se han vuelto lo suficientemente conscientes de sí mismos como para saber que nos sesgaremos, sin importar cuán cuidadosos seamos, a menos que llevemos a cabo nuestro análisis sin permitirnos conocer los resultados hasta el final. Para mí, me encantaría encontrar algo fundamentalmente nuevo. Eso sería realmente emocionante. Pero debido a que tengo prejuicios en esa dirección, queremos tener mucho cuidado de no dejar que eso influya en ningún análisis que hagamos”. Para proteger su trabajo de sus prejuicios, literalmente ocultaron sus resultados a ellos mismos y a sus colegas, mes tras mes. “Trabajé en este análisis durante un año y no pude ver los valores que salían”, dijo Dalal. El equipo incluso agregó una capa extra de confusión: realizaron sus análisis en tres catálogos de galaxias diferentes, uno real y dos con valores numéricos compensados ​​por valores aleatorios. “No sabíamos cuál de ellos era real, así que incluso si alguien viera los valores por accidente, no sabríamos si los resultados se basaron en el catálogo real o no”, dijo. El 16 de febrero, el equipo internacional se reunió en Zoom, por la tarde en Princeton, por la mañana en Japón y Taiwán, para el “desenmascaramiento”. “Se sintió como una ceremonia, un ritual por el que pasamos”, dijo Strauss. “Revelamos los datos y ejecutamos nuestros gráficos, inmediatamente vimos que era genial. Todo el mundo dijo: '¡Oh, vaya!' y todos estaban muy felices”. Dalal y su compañera de cuarto abrieron una botella de champán esa noche.

Una gran encuesta con la cámara telescópica más grande del mundo

HSC es la cámara más grande en un telescopio de su tamaño en el mundo, un manto que mantendrá hasta que el Observatorio Vera C. Rubin, actualmente en construcción en los Andes chilenos, comience el Legacy Survey of Space and Time (LSST) a finales de 2024. De hecho, los datos sin procesar de HSC se procesan con el software diseñado para LSST. “Es fascinante ver que nuestras canalizaciones de software pueden manejar cantidades tan grandes de datos mucho antes que LSST”, dijo Andrés Plazas, investigador asociado de Princeton. La encuesta que utilizó el equipo de investigación cubre aproximadamente 420 grados cuadrados del cielo, aproximadamente el equivalente a 2000 lunas llenas. No es un solo trozo contiguo de cielo, sino que está dividido en seis piezas diferentes, cada una del tamaño que podrías cubrir con un puño extendido. Los 25 millones de galaxias que estudiaron están tan distantes que, en lugar de ver estas galaxias como son hoy, el HSC registró cómo eran hace miles de millones de años. Cada una de estas galaxias brilla con el fuego de decenas de miles de millones de soles, pero debido a que están tan lejos, son extremadamente débiles, hasta 25 millones de veces más débiles que las estrellas más débiles que podemos ver a simple vista. "Es extremadamente emocionante ver estos resultados de la colaboración del HSC, especialmente porque estos datos son los más cercanos a lo que esperamos del Observatorio Rubin, en el que la comunidad está trabajando en conjunto", dijo la cosmóloga Alexandra Amon, becaria sénior de Kavli en la Universidad de Cambridge y investigador principal del Trinity College, que no participó en esta investigación. “Su encuesta profunda genera datos hermosos. Para mí, es intrigante que HSC, al igual que las otras encuestas independientes de lentes débiles, apunten a un valor bajo para S8 ¡Es una validación importante y emocionante que estas tensiones y tendencias nos obliguen a hacer una pausa y pensar en lo que esos datos nos dicen sobre nuestro Universo!

El modelo cosmológico estándar

El modelo estándar de cosmología es "asombrosamente simple" en algunos aspectos, explicó Andrina Nicola de la Universidad de Bonn, quien asesoró a Dalal en este proyecto cuando era becaria postdoctoral en Princeton. El modelo postula que el universo está formado por solo cuatro componentes básicos: materia ordinaria (átomos, principalmente hidrógeno y helio), materia oscura, energía oscura y fotones. De acuerdo con el modelo estándar, el universo se ha estado expandiendo desde el Big Bang hace 13.8 millones de años: comenzó casi perfectamente suave, pero la atracción de la gravedad sobre las fluctuaciones sutiles en el universo ha causado una estructura: galaxias envueltas en cúmulos de materia oscura. formar. En el universo actual, las contribuciones relativas de la materia ordinaria, la materia oscura y la energía oscura son alrededor del 5 %, 25 % y 70 %, más una pequeña contribución de los fotones. El modelo estándar se define solo por un puñado de números: la tasa de expansión del universo; una medida de cuán grumosa es la materia oscura (S8); las contribuciones relativas de los constituyentes del universo (los números del 5%, 25%, 70% anteriores); la densidad total del universo; y una cantidad técnica que describe cómo se relaciona la aglomeración del universo a gran escala con la de pequeña escala. “¡Y eso es básicamente todo!” dijo Strauss. “Nosotros, la comunidad cosmológica, hemos convergido en este modelo, que ha estado vigente desde principios de la década de 2000”. Los cosmólogos están ansiosos por probar este modelo restringiendo estos números de varias maneras, por ejemplo, observando las fluctuaciones en el Fondo Cósmico de Microondas (que en esencia es la imagen de bebé del universo, capturando cómo se veía después de sus primeros 400,000 años), modelando la expansión historia del universo, midiendo la aglomeración del universo en el pasado relativamente reciente, y otros. "Estamos confirmando una sensación cada vez mayor en la comunidad de que existe una discrepancia real entre la medición de la agrupación en el universo primitivo (medida desde el CMB) y la de la era de las galaxias, 'solo' hace 9 mil millones de años", dijo. Arun Kannawadi, investigador asociado de Princeton que participó en el análisis.

Cinco líneas de ataque

El trabajo de Dalal hace el llamado análisis del espacio de Fourier; un análisis paralelo del espacio real fue dirigido por Xiangchong Li de la Universidad Carnegie Mellon, quien trabajó en estrecha colaboración con Rachel Mandelbaum, quien completó su licenciatura en física en 2000 y su doctorado. en 2006, ambos de Princeton. Un tercer análisis, el llamado análisis de 3 × 2 puntos, adopta un enfoque diferente para medir la señal de lente gravitacional alrededor de galaxias individuales, para calibrar la cantidad de materia oscura asociada con cada galaxia. Ese análisis fue dirigido por Sunao Sugiyama de la Universidad de Tokio, Hironao Miyatake (ex becario postdoctoral de Princeton) de la Universidad de Nagoya y Surhud More del Centro Interuniversitario de Astronomía y Astrofísica en Pune, India. Cada uno de estos cinco conjuntos de análisis utiliza los datos del HSC para llegar a la misma conclusión sobre S8. Hacer tanto el análisis del espacio real como el análisis del espacio de Fourier “fue una especie de prueba de cordura”, dijo Dalal. Ella y Li trabajaron en estrecha colaboración para coordinar sus análisis, utilizando datos cegados. Cualquier discrepancia entre esos dos diría que la metodología de los investigadores estaba equivocada. “Nos diría menos sobre astrofísica y más sobre cómo podríamos haberlo arruinado”, dijo Dalal. “No sabíamos hasta el desenmascaramiento que dos resultados eran absolutamente idénticos”, dijo. “Se sintió milagroso”. Sunao agregó: “Nuestro análisis de 3×2 puntos combina el análisis de lente débil con el agrupamiento de galaxias. Solo después de abrir el cegamiento supimos que nuestros resultados estaban en hermoso acuerdo con los de Roohi y Xiangchong. ¡El hecho de que todos estos análisis den la misma respuesta nos da confianza de que estamos haciendo algo bien!”

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