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El tamaño importa

¿Por qué el universo no es idéntico a todas las escalas? ¿por qué la Naturaleza forma estructuras como átomos, galaxias… o personas? El recientemente nuevo doctor del Instituto de Física Teórica IFT UAM-CSIC, Javier Martín, nos lo aclara utilizando el concepto de emergencia!

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La Física de TENET

Te explicamos en este nuevo vídeo, de nuestro Canal de YouTube, TODAS las claves de la Física detrás de Tenet para que puedas impresionar a tu familia y amistades !!

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El mayor mapa espacio – temporal del Universo

Por Santiago Ávila Pérez  (Investigador Postdoctoral Intertalentum (MSCA) del Instituto de Física Teórica IFT UAM-CSIC y de la Universidad Autónoma de Madrid)

El cambio de década en la estructura a gran escala del Universo

Hoy, día 20 de julio de 2020 se han hecho públicos los resultados finales del experimento cosmológico eBOSS: extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey. Como su nombre indica, consiste en una extensión del anterior experimento BOSS. Ambos experimentos han consistido en campañas de observación parte del proyecto Sloan Digital Sky Survey (SDSS), y han supuesto un antes y un después en la Cosmología, en particular demostrando la cantidad de información extraíble de la estructura a gran escala (LSS, por sus siglas en inglés). Además, han marcado la década de los 2010, abriendo camino a nuevos experimentos que vendrán en la década de los 2020, como el satélite de la Agencia Espacial Europea Euclid, o el experimento terrestre DESI.

Figura1. El telescopio de Sloan Digital Sky Survey de 2.5m de diámetro, situado en el Observatorio Apache Point, Nuevo México, EEUU. Fuente: Telescopio SDSS. arXiv:0602326

Las Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO)

¿Pero qué es lo que han medido estos experimentos? El principal objetivo de BOSS y de eBOSS ha sido medir las oscilaciones acústicas de bariones (BAO). Estas son unas ondas que se generan poco después del Big Bang, cuando el Universo consiste en un gas muy caliente e ionizado, donde luz y materia están en constante interacción. En estas condiciones, desde los lugares con mayor densidad del Universo se propagan unas ondas, como las ondas que se generan al lanzar una piedra a un lago. Cuando pasa un cierto tiempo, el Universo, que se está expandiendo, se acaba enfriando, el gas se vuelve neutro, la luz deja de interactuar con el gas y las ondas se quedan congeladas en ese Universo en expansión. Con el tiempo, las zonas que más densidad tienen dan lugar a galaxias, y esas ondas se quedan grabadas en la distribución de galaxias. Como las ondas se comenzaron a propagar a la vez y se congelaron a la vez, habrá una escala especial en esa distribución de galaxias (‘el tiempo que estuvo propagándose la onda’ x ‘la velocidad de la onda’). Esta escala es conocida como el pico del BAO y es de aproximadamente 500 millones de años luz.

Figura 2. Representación artística de las oscilaciones acústicas de bariones. Fuente: Zosia Rostomian, LBNL, SDSS

Midiendo el BAO con precisión del 1%

La medición más precisa del BAO ha sido llevada a cabo por BOSS. Para ello, se observaron más de 1 millón de galaxias de un tipo especial llamado Galaxias Luminosas Rojas (LRG), que suelen ser bastante masivas, encontrarse en el centro de grandes cúmulos, y ser fácilmente reconocibles. La dificultad para obtener esta precisión consiste en la necesidad de muestrear un volumen muy grande –decenas de miles de millones de años luz al cubo– de manera más o menos homogénea, con suficiente densidad de galaxias y conseguir medir la posición tridimensional de las galaxias.

Saber la posición de una galaxia en la bóveda celeste es tan fácil como anotar las coordenadas celestes donde hemos encontrado esa nueva galaxia. Sin embargo, saber a qué distancia está de la Tierra es bastante complicado. Lo que solemos utilizar para determinar esa distancia es el desplazamiento al rojo (redshift, en inglés). Debido a que el Universo se está expandiendo, cuanto más lejos se encuentre una galaxia, más rápido se está alejando de nosotros y, por efecto Doppler, más roja observaremos la luz que emite. La gran ventaja de los instrumentos de SDSS ha sido ser capaz de medir el redshift de tantas galaxias de manera sistemática, con 1000 fibras ópticas capaces de aislar y analizar la luz de 1000 galaxias simultáneamente.

Cabe remarcar que las galaxias que observamos con estos programas están amillares de millones de años luz y, por tanto, cuanto más lejos estemos mirando, también estamos observando un pasado más lejano, ya que la luz tarda ese tiempo en llegar a nosotros. Con BOSS y eBOSS hemos hecho un mapa del Universo que cubre desde la época actual hasta 11 mil millones de años atrás, cubriendo el 80% de la edad del Universo.

Tener la posición tridimensional de cada una de las galaxias es clave, puesto que la manera de detectar el BAO es midiendo la distancia entre todas galaxias de nuestra muestra. Estudiando la distribución de distancias, vemos claramente que las galaxias no están distribuidas puramente por azar, sino que la física del Universo deja su huella. En particular, vemos un exceso de pares de galaxias separadas por una distancia de unos 500 millones de años luz, que se corresponde a la escala del BAO.

Figura 3. BOSS encuentra un evidente exceso de galaxias separadas entre sí por unos 100/h Megaparsec, que se corresponde a aproximadamente 500 millones de años luz. Fuente: SDSS.

Una regla estándar

A nivel fundamental, el tamaño del BAO solo depende de los tres componentes que juegan un rol en la propagación de esa onda en el Universo primordial: la cantidad de fotones, la cantidad de materia bariónica (o materia ordinaria) y la cantidad de materia oscura. Una vez se queda grabada esta escalaen la distribución de materia, sólo cambia conforme a la expansión del Universo. De manera que, si conseguimos medir el BAO en una época dada, podemos relacionarla con los parámetros que controlan la expansión del Universo —el ritmo de expansión actual o parámetro de Hubble, la cantidad y tipo de energía oscura, la curvatura del espacio, etc.—o los que controlan la escala del BAO en su origen —mencionados al comienzo del párrafo–. Esta técnica se conoce como la regla estándar porque nos permite relacionar un objeto de tamaño conocido (la escala BAO) con el tamaño angular que observamos de ese objeto en el cielo.

Si medimos esta escala a diferentes épocas podemos medir directamente cuál es la historia de expansión del Universo. Esta técnica es parecida a la que se usa con las supernovas de tipo Ia (SNIa), que se utilizan como candelas estándar. En ese caso, lo que hacemos es relacionar su brillo aparente en el cielo con la cantidad total de luz que emiten esos objetos y que es conocida. Ambas técnicas son complementarias, y juntas son capaces de darnos una precisa descripción de la historia de expansión del Universo a bajo redshift (ya no tan bajo con eBOSS, nos referimos al Universo adulto, el Universo post-CMB). Además,el BAO tiene la característica de poderse medir tanto en la dirección angular (equivalente a poner la regla paralela al firmamento) como en la dirección radial (poner la regla alejándose de nosotros).