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.

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.

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.

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).

Más allá de la expansión: distorsiones en espacio de redshift (RSD)

Ya hemos mencionado que usamos el desplazamiento al rojo o redshift como medida de distancia de una galaxia. Ese redshift se debe en su gran mayoría a la velocidad a la que se aleja de nosotros una galaxia debido a la expansión del Universo. Sin embargo, la gravedad en el vecindario de la galaxia jugará un rol secundario, aportando una pequeña contribución de velocidad en la dirección hacia donde haya más materia localmente. De este modo, estaremos interpretando parcialmente de manera errónea la posición de esa galaxia. Esto son las distorsiones en espacio de redshift o RSD.

Sin embargo, podemos incluir este efecto en nuestro modelo, y en vez de ser un problema, se convierte en una nueva herramienta para entender el Universo. De este modo, podemos detectar una correlación entre las velocidades de galaxias próximas entre sí, lo cual ocurre por la gravedad local. Así, podemos comprobar si la fuerza de la gravedad en épocas pasadas del Universo también se ajusta a lo predicho por la Relatividad General de Einstein o, por el contrario, la gravedad se comportaba de otra manera cuando el universo era más joven. También nos abre una ventana para comprobar si nuestra teoría de la gravedad sigue siendo válida a escalas tan grandes, comparables al tamaño del Universo.

El legado de SDSS sobre la estructura a gran escala

Más abajo representamos en un mapa las diferentes campañas de observación de SDSS para medir el BAO en la distribución de galaxias. En diferentes rangos de redshift (que nos indicala distancia, y la época de cada muestra), la estrategia ha sido optimizada de manera diferente, y se ha centrado en un tipo de galaxias que resultaban más fáciles de observar en ese rango. El gran hito de eBOSS es haber conseguido medir el BAO con tres nuevas muestras a diferentes épocas no sondeadas antes, además de mejorar la precisión en la medida de la muestra más lejana (los bosques de Lyman-alpha). Con esta última serie de publicaciones, SDSS ha sido capaz de completar lo que empezó hace 20 años: medir con detalle la historia de expansión del Universo de los últimos 11 mil millones de años.  Además, hemos podido medir también las RSD en la mayoría de esas muestras, aportándonos una mirada única la teoría de la gravedad.

Con estos datos podemos reconstruir la historia de expansión del Universo, y ver si está de acuerdo con lo que predice la teoría. Más abajo mostramos las diferentes medidas del BAO hechas por SDSS con puntos verdes (BAO radial) y rojos (BAO angular), y lo comparamos con las curvas predichas por la teoría que creemos que mejor describe nuestro Universo. También mostramos en la parte de debajo de la Figura7 las diferentes mediciones de RSD y lo comparamos con las predicciones de larelatividad general. En ambos casos encontramos que nuestra teoría del Universo es capaz de describir bien las medidas observadas.

Implicaciones cosmológicas

Con esta serie de medidas, uno puede probar diferentes modelos de Universo y ver cuáles encajan mejor con las medidas del ritmo de expansión del Universo (a través del BAO) por un lado, y las distorsiones en espacio de Redshift (RSD), por otro lado. Para ello, es necesario un riguroso análisis estadístico, y en muchos casos es necesario combinar información de diferentes experimentos (o campañas) cosmológicos. En el artículo sobre cosmología de eBOSS, también utilizamos datos del satélite Planck, que midió con precisión las anisotropías del fondo cósmico de radiación (CMB), la compilación de Supernovas Ia de Pantheon, así como las medidas de lentes gravitacionales débiles del Dark Energy Survey (DES).

Podemos extraer varias conclusiones (más detalles en la página de SDSS, y en la publicación):

-Podemos deducir la existencia de la energía oscura con rotundidad utilizando solo datos de BAO de SDSS.

-Los datos de BAO claramente indican una preferencia por un Universo sin curvatura.

-Combinando BAO con medidas de la abundancia relativa de los elementos primordiales,que nos dicela cantidad de materia bariónica en el Universo (Big Bang Nucleosythesis), y la cantidad observada de fotones (temperatura del CMB, sin anisotropías), podemos medir con un 1% de precisión el ritmo de expansiónactual del Universo: H0=67.6±1.0 km/s/Mpc.

-Combinando BAO con los resultados de Planck, también obtenemos una medida similar, a pesar de que flexibilicemos enormemente el modelo cosmológico añadiendo curvatura y una energía oscura con cambio temporal de la ecuación de estado. Estos resultados avivan el debate actual sobre las discrepancias de las medidas de H0, teniendo en cuenta que otros grupos encuentran H0~74km/s/Mpc con métodos de medición directa.

-Las medidas de RSD son complementarias a las medidas de lentes gravitacionales débiles en sondear el Universo inhomogéneoy las leyes de gravedad. Por el momento, todo parece indicar que podemos confiar en la ley de gravedad de Einstein.

-Los datos de SDSS combinados con los de Planck, ponen cotas cada vez más restrictivas a la masa de los neutrinos (Mν<0.1eV), acercándonos cada vez más al mínimo deducido de las oscilaciones de neutrinos solares (Mν>0.06eV). Será la siguiente generación de experimentos, con DESI y Euclid, quien medirá la masa de los neutrinos, o revolucionará la física de neutrinos.

-En general, los resultados de BAO y RSD de SDSS, en combinación con otros experimentos, muestran una consistencia muy grande con el modelo estándar de cosmología LCDM. Ahora tocará esperar a la siguiente generación de experimentos cosmológicos para dilucidar los enigmas que nos deja esta última generación. Pero, ¿quién sabe?,  ¡lo mismo nos aguardan nuevos misterios!

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Santiago Ávila desarrolló nuevas técnicas para simular las galaxias de eBOSS. Las simulaciones que produjo fueron clave para entender la información que esperamos encontrar en los datos. Estas simulaciones cubren una amplio rango de modelos de formación de galaxias que consideramos plausibles, dentro de nuestro conocimiento actual de la formación de galaxias. De este modo, sirven para cerciorarnos que podemos confiar en las técnicas que usamos para extraer la información cosmológica, y que la física de formación galáctica no sesga las conclusiones que extraemos sobre el Universo.

Más información sobre los resultados eBOSS:

• https://www.sdss.org/press-releases/no-need-to-mind-the-gap/
• https://www.sdss.org/science/cosmology-results-from-eboss/
• https://www.sdss.org/science/final-bao-and-rsd-measurements/
• https://www.sdss.org/surveys/eboss/

*** vídeo de Anisotropía en el que varios participantes de eBOSS hablan del proyecto:

[youtube]https://youtu.be/c7TDja3JjjY[/youtube]