8 abr. 2014

Nuevos datos aportan las medidas más exactas de la tasa de expansión del Universo

Los quásars son galaxias en etapas tempranas alimentadas por agujeros negros masivos, extremadamente brillantes, muy lejanas, y por lo tanto que presentan un desplazamiento al rojo extremo. El Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), el componente mayor del Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III), fue pionero en el uso de los cuásares para mapear las variaciones de densidad del gas intergaláctico de alto corrimiento al rojo, trazando la estructura que poseyó el universo en sus primeros inicios.
El proyecto BOSS ha trazado la historia de la expansión del universo a fin de esclarecer la naturaleza de la energía oscura, y las nuevas medidas de la estructura a gran escala han arrojado la medición más precisa hasta el momento de la expansión desde que las galaxias se formaron.
Los últimos resultados a partir de mediciones de quásars combinan dos técnicas analíticas separadas. El primero, un tipo de análisis publicado a fines del año pasado y dirigido por el físico Andreu Font-Ribera del Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). El otro, un nuevo análisis utilizando un enfoque probado, pero con muchos más datos que antes, acaba de ser publicado por Timothée Delubac y su equipo, del EPFL de Suiza y del Centro de Saclay en Francia. 

Nine Year Microwave Sky. Crédito: NASA / WMAP Science Team
Los dos análisis en conjunto establecen el ritmo de expansión a 68 kilómetros por segundo por cada millón de años luz con un corrimiento al rojo de 2.34, medido con una precisión sin precedentes del 2,2 por ciento.
"Esto significa que si miramos hacia atrás al universo, cuando tenía menos de una cuarta parte de su edad actual, veríamos que un par de galaxias separadas por un millón de años luz se separan entre sí, a una velocidad de 68 kilómetros por segundo debido a la expansión del Universo", dice Font-Ribera. "La incertidumbre es más o menos de un kilómetro y medio por segundo". Font-Ribera presentó los resultados en la reunión de abril 2014 de la Sociedad Americana de Física en Savannah, GA.
El proyecto BOSS emplea galaxias y quásars distantes para medir las Baryon Acoustic Oscillations (BAO), un indicador en la forma en que la materia se distribuye, como resultado de las condiciones que reinaban en el universo temprano. Estas signaturas además están presentes en la distribución de la materia oscura invisible, y es evidente en la distribución de la materia ordinaria, incluyendo las galaxias, quásars, y el hidrógeno intergaláctico.
"Hace tres años el proyecto BOSS usó 14 mil cuásares para realizar los mapas en 3D más grandes del universo", dice David Schlegel, del Berkeley Lab, investigador principal del BOSS."Hace dos años, con 48 mil cuásares, lo primero que detectamos fueron las Baryon Acoustic Oscillations en estos mapas. Ahora, con más de 150 mil quasares, hemos hecho medidas muy precisas de las mencionadas BAO".
La huella BAO corresponde a un exceso de alrededor del cinco por ciento en la agrupación de la materia a una separación conocida como la escala BAO. Experimentos recientes incluyendo el BOSS y el satélite Planck que estudia el fondo cósmico de microondas ponen la escala BAO, medida en el universo de hoy, a un valor muy cercano de 450 millones de años luz (una "regla estándar" para medir la expansión).
BAO desciende directamente de las ondas de presión (que no son más que ondas sonoras) que se mueven a través del universo temprano, cuando el universo se había enfriado lo suficiente como para hacerse visible, a los 380 años de vida. La radiación de fondo cósmico de microondas deja constancia de los primeros picos de densidad acústica, siendo estos picos las semillas de la huella BAO posterior sobre la distribución de la materia.

Representación artística de un Quásar. Crédito: ESO/M. Kornmesser
El trabajo previo de BOSS utiliza los espectros de más de un millón de galaxias para medir la escala BAO con una notable precisión del uno por ciento. Pero más allá de un corrimiento al rojo de 0,7 (aproximadamente seis mil millones de años luz de distancia), las galaxias se vuelven más débiles y más difíciles de ver. Para los desplazamientos al rojo mucho más altos como los de los estudios actuales, con un promedio de 2.34, BOSS fue pionero usando un método denominado del "Lyman-alpha forest". Dicho método utiliza los espectros de los cuásares distantes para calcular la densidad del hidrógeno intergaláctico.
Con suficientes espectros del quásars “cercanos”, la posición de las nubes de gas puede ser mapeada en tres dimensiones (tanto a lo largo de la línea de visión del quásar como transversalmente entre las zonas de densidad variable de las nubes de hidrógeno iluminadas y analizadas en el espectro de otros quásars. A partir de estos mapas se extrae la señal de BAO.

Aunque fue introducido por BOSS hace sólo unos años, este método de utilizar los datos del Lyman-alpha forest para mapear estructuras en el Universo es en cierta forma tradicional. 

Los resultados que acaban de publicarse por Delubac y sus colegas utilizan los espectros de casi 140 mil cuásars cuidadosamente seleccionados por BOSS.
Font-Ribera y sus colegas determinan el BAO utilizando incluso más quásars que BOSS pero de una manera diferente. En lugar de comparar los espectros de diferentes quásars, el equipo de Font-Ribera correlaciona cuásars sobre sí mismos con los espectros de otros cuásars, un método denominado de correlación cruzada.
"Los quásars son galaxias masivas, y nosotros esperamos que se hallen en las partes más densas del universo, donde la densidad del gas intergaláctico también debería ser mayor", dice Font-Ribera."Por lo tanto, esperamos encontrar más gas absorbente que el promedio cuando miramos cerca de los cuásars." La cuestión era si la correlación sería lo suficientemente buena para ver la impronta del BAO. Y de hecho lo era. Incluso, la impronta BAO en correlación cruzada era fuerte. Delubac y su equipo combinaron sus resultados con los resultados de autocorrelación de Font-Ribera y su equipo. Los datos convergieron en estrechos límites de la escala BAO. 
La autocorrelación y la correlación cruzada también convergieron en la precisión de sus medidas de la tasa de expansión del universo, llamado el parámetro de Hubble. En el corrimiento al rojo de 2.34, la medida combinada fue equivalente a 68 más o menos; 1,5 kilometros por segundo por cada millón de años luz.
"Es la medición más precisa del parámetro de Hubble en cualquier desplazamiento al rojo, incluso mejor que la medición que tenemos del universo local con un corrimiento al rojo de cero", dice Font-Ribera. "Estos resultados nos permiten estudiar la geometría del Universo cuando era sólo un cuarto de su edad actual. Y combinado con otros experimentos cosmológicos, podemos aprender acerca de la energía oscura y poner fuertes restricciones sobre la curvatura del Universo, ¡la cual resulta ser muy plana!"

Por Mariano Miguel Lanzi

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