Astrofísicos mapean el universo invisible utilizando galaxias distorsionadas

En el modelo actual de cosmología, se estima que alrededor del 95 por ciento del universo es invisible, compuesto por materia oscura y energía oscura. Aunque los científicos aún no comprenden completamente qué son estos componentes, su influencia es innegable. La materia oscura proporciona gravedad adicional que ayuda a dar forma a galaxias y cúmulos, mientras que la energía oscura está relacionada con la expansión acelerada del universo. Para investigar estos fenómenos, astrofísicos de la Universidad de Chicago estudiaron una nueva región del cielo con el objetivo de comprender mejor el cosmos oculto.

Entre 2013 y 2019, el Dark Energy Survey (DES) recopiló observaciones utilizando la Dark Energy Camera (DECam) en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile. Durante este período, el DES midió y calibró las formas de más de 150 millones de galaxias en un área de 5,000 grados cuadrados del cielo. Estas mediciones de las formas de las galaxias ayudaron a los científicos a refinar las estimaciones sobre cómo se distribuye la masa en el universo y cómo se comporta la energía oscura.

El DES también ha sido fundamental en un reciente rompecabezas relacionado con el modelo Lambda-CDM (LCDM), que es el marco estándar utilizado para describir el universo. Algunos estudios de galaxias cercanas, como los realizados por el DES, parecían contradecir las predicciones basadas en el universo temprano, que se infieren de la radiación de fondo de microondas cósmicas (CMB), el remanente de la Gran Explosión.

Aunque la DECam fue diseñada para apoyar el DES, también recopiló muchas imágenes fuera de la huella principal del DES. En un nuevo conjunto de artículos publicados en el Open Journal of Astrophysics, los astrofísicos de UChicago utilizaron estas observaciones adicionales y casi duplicaron el número de galaxias con formas medidas al agregar datos de miles de grados cuadrados más allá de la región del DES. Dado que estas imágenes no se capturaron originalmente para el trabajo de lente débil, el conjunto de datos ampliado ofrece una forma independiente de verificar las inconsistencias anteriores del LCDM.

La lente gravitacional débil y la importancia de las formas de las galaxias

La lente gravitacional ocurre cuando la masa curva la luz, y es una de las herramientas más poderosas para estudiar la distribución de la masa en el universo. Esto incluye tanto la materia ordinaria como la materia oscura, y también puede arrojar luz sobre el papel de la energía oscura, según explicó Chihway Chang, profesor asociado de Astronomía y Astrofísica y líder del proyecto Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE). En la lente gravitacional débil, las galaxias no parecen estar dramáticamente estiradas. En cambio, sus formas aparecen ligeramente distorsionadas debido a que su luz pasa a través y alrededor de la materia en su camino hacia la Tierra. La señal es extremadamente pequeña, por lo que los investigadores dependen de métodos estadísticos para detectarla.

"Las mediciones de lente débil son las mejores para sondear la 'aglomeración' de la materia", comentó Dhayaa Anbajagane, estudiante de doctorado en Astronomía y Astrofísica y analista principal de la serie de artículos de DECADE. "Cuantificar esta aglomeración arroja luz sobre el origen y la evolución de estructuras como galaxias y cúmulos de galaxias. Esto es similar a medir la distribución de personas (la materia) que viven en una región y usar eso para entender características como la topografía del paisaje o la ubicación o edad de áreas urbanas (factores que influyen en el origen y evolución de estructuras)."

Medición de distancias de galaxias y prueba del modelo cosmológico estándar

Para el trabajo de DECADE, los investigadores midieron las formas de más de 100 millones de galaxias. También estimaron cuán lejos estaban esas galaxias al analizar cuánto se desplaza la luz de cada galaxia hacia longitudes de onda rojas (corrimiento al rojo). Este desplazamiento indica cuán rápido se aleja una galaxia y se puede utilizar para calcular su distancia desde la Tierra.

Con las formas y distancias de las galaxias en mano, el equipo ajustó el modelo LCDM a las observaciones. El LCDM es el modelo cosmológico ampliamente utilizado que tiene en cuenta la energía oscura, la materia oscura, la materia ordinaria, los neutrinos y la radiación. "Este es un modelo bien probado que ha sobrevivido a muchas, muchas pruebas en la última década, y nuestro punto de datos va a agregar a esa historia", afirmó Chang.

Los resultados de DECADE mostraron que el crecimiento de la estructura cósmica coincide con lo que predice el LCDM, alineándose con estudios anteriores de lente débil. "Además, al comparar nuestras restricciones con las derivadas y extrapoladas de la CMB del universo temprano, también estamos de acuerdo", agregó Chang. "Este último punto ha sido fuente de debate durante los últimos cinco años, y con nuestros nuevos resultados, podemos afirmar que no vemos tensión entre la lente débil y la CMB."

"También podemos combinar las mediciones de lente de DECADE con las del DES, resultando en un análisis de lente de galaxias que utiliza el mayor número de galaxias (270 millones) cubriendo la mayor área del cielo (13,000 grados cuadrados) hasta la fecha", comentó Anbajagane. "Dada esta gran cantidad de datos, podemos hacer elecciones particularmente conservadoras en nuestro análisis, como solo hacer o usar las mediciones en las que más confiamos, en lugar de todas las mediciones útiles o posibles, y aún así hacer una medición con suficiente precisión para informar significativamente nuestras comparaciones con la CMB."

Una encuesta poco convencional construida a partir de imágenes de telescopios archivadas

DECADE proporciona una verificación independiente sobre si los resultados de lente débil coinciden con las expectativas basadas en la CMB, utilizando una parte diferente del cielo que el DES pero a una escala comparable. Alex Drlica-Wagner, científico en Fermilab y profesor asociado en UChicago en Astronomía y Astrofísica, quien lideró la campaña de observación de DECADE, señaló que el éxito no estaba garantizado desde el principio. "No estaba claro que el conjunto de datos de DECADE fuera de calidad suficiente para realizar un análisis cosmológico, pero hemos demostrado que puede producir resultados robustos", afirmó.

Una característica destacada del proyecto involucró decisiones sobre la calidad de las imágenes, explicó Anbajagane. Las encuestas tradicionales de lente débil recopilan cerca de cien mil imágenes diseñadas específicamente durante muchos años, y muchas tomas son rechazadas cuando no cumplen con estrictos estándares. "El proyecto DECADE es único ya que reutiliza datos archivados: imágenes tomadas originalmente por la comunidad astronómica para una amplia variedad de objetivos científicos, desde el estudio de galaxias enanas hasta estrellas y cúmulos de galaxias distantes, y utiliza criterios de calidad de imagen significativamente más permisivos. Nuestro trabajo demuestra que se pueden realizar análisis de lente robustos incluso si no tenemos campañas de imágenes dedicadas a la lente", afirmó.

Este enfoque podría influir en cómo los investigadores manejan futuros estudios de lente débil, incluyendo trabajos basados en la Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). Utilizar una mayor parte de las imágenes disponibles podría aumentar la precisión de las mediciones cosmológicas. La capacidad del equipo para utilizar imágenes archivadas también dependió en gran medida de una cuidadosa inspección de las imágenes, liderada por Chin Yi Tan, estudiante de doctorado en Física.

Un catálogo masivo de galaxias públicas y colaboración global

Combinado con el DES, el catálogo final cubre aproximadamente un tercio del cielo (13,000 grados cuadrados) e incluye 270 millones de galaxias. El catálogo fue liberado a la comunidad científica este otoño, y los investigadores ya han comenzado a utilizar las imágenes para otros estudios, incluyendo trabajos sobre galaxias enanas y nuevos mapas de la masa del universo. "Estamos trabajando activamente en aplicar otros métodos de análisis a nuestros datos junto con expertos en el Kavli Institute for Cosmological Physics", comentó Anbajagane.

El análisis de DECADE reunió a científicos de UChicago, Fermilab y NCSA en UIUC, junto con colaboradores de Argonne, UW-Madison y muchas otras instituciones en todo el mundo. "Fue bastante especial tener estos diferentes componentes todos juntos en el pasillo", dijo Chang. "También nos permitió aprender unos de otros, y resultó en un resultado inesperado pero maravilloso de este proyecto."