{"id":771,"date":"2020-07-20T16:38:54","date_gmt":"2020-07-20T15:38:54","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/?p=771"},"modified":"2020-07-21T18:35:22","modified_gmt":"2020-07-21T17:35:22","slug":"el-mayor-mapa-espacio-temporal-del-universo","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/fisicateorica\/2020\/07\/20\/771\/","title":{"rendered":"El mayor mapa espacio – temporal del Universo"},"content":{"rendered":"

Por Santiago \u00c1vila P\u00e9rez<\/a>\u00a0 (Investigador Postdoctoral Intertalentum (MSCA) del Instituto de F\u00edsica Te\u00f3rica IFT UAM-CSIC y de la Universidad Aut\u00f3noma de Madrid)<\/p>\n

El cambio de d\u00e9cada en la estructura a gran escala del Universo<\/strong><\/p>\n

Hoy, d\u00eda 20 de julio de 2020 se han hecho p\u00fablicos los resultados finales del experimento cosmol\u00f3gico eBOSS: extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey. Como su nombre indica, consiste en una extensi\u00f3n del anterior experimento BOSS. Ambos experimentos han consistido en campa\u00f1as de observaci\u00f3n parte del proyecto Sloan Digital Sky Survey (SDSS), y han supuesto un antes y un despu\u00e9s en la Cosmolog\u00eda, en particular demostrando la cantidad de informaci\u00f3n extra\u00edble de la estructura a gran escala (LSS, por sus siglas en ingl\u00e9s). Adem\u00e1s, han marcado la d\u00e9cada de los 2010, abriendo camino a nuevos experimentos que vendr\u00e1n en la d\u00e9cada de los 2020, como el sat\u00e9lite de la Agencia Espacial Europea Euclid, o el experimento terrestre DESI.<\/p>\n

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Figura1. El telescopio de Sloan Digital Sky Survey de 2.5m de di\u00e1metro, situado en el Observatorio Apache Point, Nuevo M\u00e9xico, EEUU. Fuente: Telescopio SDSS. arXiv:0602326<\/figcaption><\/figure>\n

Las Oscilaciones Ac\u00fasticas de Bariones (BAO)<\/strong><\/p>\n

\u00bfPero qu\u00e9 es lo que han medido estos experimentos? El principal objetivo de BOSS y de eBOSS ha sido medir las oscilaciones ac\u00fasticas de bariones (BAO). Estas son unas ondas que se generan poco despu\u00e9s del Big Bang, cuando el Universo consiste en un gas muy caliente e ionizado, donde luz y materia est\u00e1n en constante interacci\u00f3n. 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 est\u00e1 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 expansi\u00f3n. Con el tiempo, las zonas que m\u00e1s densidad tienen dan lugar a galaxias, y esas ondas se quedan grabadas en la distribuci\u00f3n de galaxias. Como las ondas se comenzaron a propagar a la vez y se congelaron a la vez, habr\u00e1 una escala especial en esa distribuci\u00f3n de galaxias (\u2018el tiempo que estuvo propag\u00e1ndose la onda\u2019 x \u2018la velocidad de la onda\u2019). Esta escala es conocida como el pico del BAO y es de aproximadamente 500 millones de a\u00f1os luz.<\/p>\n

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Figura 2. Representaci\u00f3n art\u00edstica de las oscilaciones ac\u00fasticas de bariones. Fuente: Zosia Rostomian, LBNL, SDSS<\/figcaption><\/figure>\n

Midiendo el BAO con precisi\u00f3n del 1%<\/strong><\/p>\n

La medici\u00f3n m\u00e1s precisa del BAO ha sido llevada a cabo por BOSS. Para ello, se observaron m\u00e1s de 1 mill\u00f3n de galaxias de un tipo especial llamado Galaxias Luminosas Rojas (LRG), que suelen ser bastante masivas, encontrarse en el centro de grandes c\u00famulos, y ser f\u00e1cilmente reconocibles. La dificultad para obtener esta precisi\u00f3n consiste en la necesidad de muestrear un volumen muy grande \u2013decenas de miles de millones de a\u00f1os luz al cubo\u2013 de manera m\u00e1s o menos homog\u00e9nea, con suficiente densidad de galaxias y conseguir medir la posici\u00f3n tridimensional de las galaxias.<\/p>\n

Saber la posici\u00f3n de una galaxia en la b\u00f3veda celeste es tan f\u00e1cil como anotar las coordenadas celestes donde hemos encontrado esa nueva galaxia. Sin embargo, saber a qu\u00e9 distancia est\u00e1 de la Tierra es bastante complicado. Lo que solemos utilizar para determinar esa distancia es el desplazamiento al rojo (redshift, en ingl\u00e9s). Debido a que el Universo se est\u00e1 expandiendo, cuanto m\u00e1s lejos se encuentre una galaxia, m\u00e1s r\u00e1pido se est\u00e1 alejando de nosotros y, por efecto Doppler, m\u00e1s 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 sistem\u00e1tica, con 1000 fibras \u00f3pticas capaces de aislar y analizar la luz de 1000 galaxias simult\u00e1neamente.<\/p>\n

Cabe remarcar que las galaxias que observamos con estos programas est\u00e1n amillares de millones de a\u00f1os luz y, por tanto, cuanto m\u00e1s lejos estemos mirando, tambi\u00e9n estamos observando un pasado m\u00e1s 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 \u00e9poca actual hasta 11 mil millones de a\u00f1os atr\u00e1s, cubriendo el 80% de la edad del Universo.<\/p>\n

Tener la posici\u00f3n 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 distribuci\u00f3n de distancias, vemos claramente que las galaxias no est\u00e1n distribuidas puramente por azar, sino que la f\u00edsica del Universo deja su huella. En particular, vemos un exceso de pares de galaxias separadas por una distancia de unos 500 millones de a\u00f1os luz, que se corresponde a la escala del BAO.<\/p>\n

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Figura 3. BOSS encuentra un evidente exceso de galaxias separadas entre s\u00ed por unos 100\/h Megaparsec, que se corresponde a aproximadamente 500 millones de a\u00f1os luz. Fuente: SDSS.<\/figcaption><\/figure>\n

Una regla est\u00e1ndar<\/strong><\/p>\n

A nivel fundamental, el tama\u00f1o del BAO solo depende de los tres componentes que juegan un rol en la propagaci\u00f3n de esa onda en el Universo primordial: la cantidad de fotones, la cantidad de materia bari\u00f3nica (o materia ordinaria) y la cantidad de materia oscura. Una vez se queda grabada esta escalaen la distribuci\u00f3n de materia, s\u00f3lo cambia conforme a la expansi\u00f3n del Universo. De manera que, si conseguimos medir el BAO en una \u00e9poca dada, podemos relacionarla con los par\u00e1metros que controlan la expansi\u00f3n del Universo \u2014el ritmo de expansi\u00f3n actual o par\u00e1metro de Hubble, la cantidad y tipo de energ\u00eda oscura, la curvatura del espacio, etc.\u2014o los que controlan la escala del BAO en su origen \u2014mencionados al comienzo del p\u00e1rrafo\u2013. Esta t\u00e9cnica se conoce como la regla est\u00e1ndar porque nos permite relacionar un objeto de tama\u00f1o conocido (la escala BAO) con el tama\u00f1o angular que observamos de ese objeto en el cielo.<\/p>\n

Si medimos esta escala a diferentes \u00e9pocas podemos medir directamente cu\u00e1l es la historia de expansi\u00f3n del Universo. Esta t\u00e9cnica es parecida a la que se usa con las supernovas de tipo Ia (SNIa), que se utilizan como candelas est\u00e1ndar. 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 t\u00e9cnicas son complementarias, y juntas son capaces de darnos una precisa descripci\u00f3n de la historia de expansi\u00f3n del Universo a bajo redshift (ya no tan bajo con eBOSS, nos referimos al Universo adulto, el Universo post-CMB). Adem\u00e1s,el BAO tiene la caracter\u00edstica de poderse medir tanto en la direcci\u00f3n angular (equivalente a poner la regla paralela al firmamento) como en la direcci\u00f3n radial (poner la regla alej\u00e1ndose de nosotros).<\/p>\n

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Figura 4. Representaci\u00f3n art\u00edstica de las t\u00e9cnicas de candela est\u00e1ndar (izqda.) y regla est\u00e1ndar (dcha.) usadas t\u00edpicamente con las Supernovas Ia (izqda..) y las oscilaciones ac\u00fasticas de bariones (BAO, dcha.). Fuente: NASA:JPL-Caltech<\/figcaption><\/figure>\n

M\u00e1s all\u00e1 de la expansi\u00f3n: distorsiones en espacio de redshift (RSD)<\/strong><\/p>\n

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 mayor\u00eda a la velocidad a la que se aleja de nosotros una galaxia debido a la expansi\u00f3n del Universo. Sin embargo, la gravedad en el vecindario de la galaxia jugar\u00e1 un rol secundario, aportando una peque\u00f1a contribuci\u00f3n de velocidad en la direcci\u00f3n hacia donde haya m\u00e1s materia localmente. De este modo, estaremos interpretando parcialmente de manera err\u00f3nea la posici\u00f3n de esa galaxia. Esto son las distorsiones en espacio de redshift o RSD.<\/p>\n

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 correlaci\u00f3n entre las velocidades de galaxias pr\u00f3ximas entre s\u00ed, lo cual ocurre por la gravedad local. As\u00ed, podemos comprobar si la fuerza de la gravedad en \u00e9pocas pasadas del Universo tambi\u00e9n 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 m\u00e1s joven. Tambi\u00e9n nos abre una ventana para comprobar si nuestra teor\u00eda de la gravedad sigue siendo v\u00e1lida a escalas tan grandes, comparables al tama\u00f1o del Universo.<\/p>\n

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Figura 5. Distorsiones en espacio de Redshift (RSD). Representaci\u00f3n del desplazamiento aparente de las galaxias debido a las velocidades locales inducidas por la gravedad. Se incluye una foto del telescopio SDSS, e imagen de galaxias tomada por el telescopio espacial Hubble (HST)<\/figcaption><\/figure>\n

El legado de SDSS sobre la estructura a gran escala <\/strong><\/p>\n

M\u00e1s abajo representamos en un mapa las diferentes campa\u00f1as de observaci\u00f3n de SDSS para medir el BAO en la distribuci\u00f3n de galaxias. En diferentes rangos de redshift (que nos indicala distancia, y la \u00e9poca de cada muestra), la estrategia ha sido optimizada de manera diferente, y se ha centrado en un tipo de galaxias que resultaban m\u00e1s f\u00e1ciles de observar en ese rango. El gran hito de eBOSS es haber conseguido medir el BAO con tres nuevas muestras a diferentes \u00e9pocas no sondeadas antes, adem\u00e1s de mejorar la precisi\u00f3n en la medida de la muestra m\u00e1s lejana (los bosques de Lyman-alpha). Con esta \u00faltima serie de publicaciones, SDSS ha sido capaz de completar lo que empez\u00f3 hace 20 a\u00f1os: medir con detalle la historia de expansi\u00f3n del Universo de los \u00faltimos 11 mil millones de a\u00f1os.\u00a0 Adem\u00e1s, hemos podido medir tambi\u00e9n las RSD en la mayor\u00eda de esas muestras, aport\u00e1ndonos una mirada \u00fanica la teor\u00eda de la gravedad.<\/p>\n

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Figura 6. Representaci\u00f3n del mapa de las 2.5 millones de galaxias observadas por SDSS. Con diferentes colores se muestran las diferentes muestras de galaxias utilizadas en cada una de las medidas de BAO, que se muestran en la derecha. Se muestra sobre una esfera difuminada la temperatura del fondo de radiaci\u00f3n c\u00f3smica (CMB) medida por Planck. El tama\u00f1o de esa esfera muestra el l\u00edmite del Universo observable, con nosotros en el centro. Fuente: eBOSS\/SDSS<\/figcaption><\/figure>\n

Con estos datos podemos reconstruir la historia de expansi\u00f3n del Universo, y ver si est\u00e1 de acuerdo con lo que predice la teor\u00eda. M\u00e1s 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 teor\u00eda que creemos que mejor describe nuestro Universo. Tambi\u00e9n 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 teor\u00eda del Universo es capaz de describir bien las medidas observadas.<\/p>\n

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Figura 7. Panel superior: medidas del ritmo de expansi\u00f3n del Universo derivadas de las medidas del BAO como funci\u00f3n del redshift. Panel inferior: Crecimiento (growth) de estructura derivado de la correlaci\u00f3n entre velocidades de galaxias o distorsiones en espacio de redshift. Las curvas representan las predicciones del modelo te\u00f3rico \u039bCDM que mejor ajustan los datos de Planck, mientras que los puntos con barras de error son las medidas de SDSS. Fuente: eBOSS. arXiv:2007.08991<\/figcaption><\/figure>\n

Implicaciones cosmol\u00f3gicas<\/strong><\/p>\n

Con esta serie de medidas, uno puede probar diferentes modelos de Universo y ver cu\u00e1les encajan mejor con las medidas del ritmo de expansi\u00f3n del Universo (a trav\u00e9s del BAO) por un lado, y las distorsiones en espacio de Redshift (RSD), por otro lado. Para ello, es necesario un riguroso an\u00e1lisis estad\u00edstico, y en muchos casos es necesario combinar informaci\u00f3n de diferentes experimentos (o campa\u00f1as) cosmol\u00f3gicos. En el art\u00edculo sobre cosmolog\u00eda de eBOSS, tambi\u00e9n utilizamos datos del sat\u00e9lite Planck, que midi\u00f3 con precisi\u00f3n las anisotrop\u00edas del fondo c\u00f3smico de radiaci\u00f3n (CMB), la compilaci\u00f3n de Supernovas Ia de Pantheon, as\u00ed como las medidas de lentes gravitacionales d\u00e9biles del Dark Energy Survey (DES).<\/p>\n

Podemos extraer varias conclusiones (m\u00e1s detalles en la p\u00e1gina de SDSS, y en la publicaci\u00f3n):<\/p>\n

-Podemos deducir la existencia de la energ\u00eda oscura con rotundidad utilizando solo datos de BAO de SDSS.<\/p>\n

-Los datos de BAO claramente indican una preferencia por un Universo sin curvatura.<\/p>\n

-Combinando BAO con medidas de la abundancia relativa de los elementos primordiales,que nos dicela cantidad de materia bari\u00f3nica en el Universo (Big Bang Nucleosythesis), y la cantidad observada de fotones (temperatura del CMB, sin anisotrop\u00edas), podemos medir con un 1% de precisi\u00f3n el ritmo de expansi\u00f3nactual del Universo: H0=67.6\u00b11.0 km\/s\/Mpc.<\/p>\n

-Combinando BAO con los resultados de Planck, tambi\u00e9n obtenemos una medida similar, a pesar de que flexibilicemos enormemente el modelo cosmol\u00f3gico a\u00f1adiendo curvatura y una energ\u00eda oscura con cambio temporal de la ecuaci\u00f3n 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 m\u00e9todos de medici\u00f3n directa.<\/p>\n

-Las medidas de RSD son complementarias a las medidas de lentes gravitacionales d\u00e9biles en sondear el Universo inhomog\u00e9neoy las leyes de gravedad. Por el momento, todo parece indicar que podemos confiar en la ley de gravedad de Einstein.<\/p>\n

-Los datos de SDSS combinados con los de Planck, ponen cotas cada vez m\u00e1s restrictivas a la masa de los neutrinos (M\u03bd<0.1eV), acerc\u00e1ndonos cada vez m\u00e1s al m\u00ednimo deducido de las oscilaciones de neutrinos solares (M\u03bd>0.06eV). Ser\u00e1 la siguiente generaci\u00f3n de experimentos, con DESI y Euclid, quien medir\u00e1 la masa de los neutrinos, o revolucionar\u00e1 la f\u00edsica de neutrinos.<\/p>\n

-En general, los resultados de BAO y RSD de SDSS, en combinaci\u00f3n con otros experimentos, muestran una consistencia muy grande con el modelo est\u00e1ndar de cosmolog\u00eda LCDM. Ahora tocar\u00e1 esperar a la siguiente generaci\u00f3n de experimentos cosmol\u00f3gicos para dilucidar los enigmas que nos deja esta \u00faltima generaci\u00f3n. Pero, \u00bfqui\u00e9n sabe?,\u00a0 \u00a1lo mismo nos aguardan nuevos misterios!<\/p>\n

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Figura 8. Precisi\u00f3n de nuestro conocimiento del ritmo actual de expansi\u00f3n del Universo (constante de Hubble) y fracci\u00f3n energ\u00eda en forma de curvatura espacial del Universo. Con los datos que ten\u00edamos en 2010, todos los par\u00e1metros que aparecen en gris parec\u00edan posibles. Con los datos que tenemos en 2020 en (azul), con nuevos datos de muchos experimentos diferentes (DES, Planck, Union, SDSS) hemos reducido notablemente los par\u00e1metros permitidos. Vemos que la mayor parte de esa ganancia en informaci\u00f3n se puede asociar a los datos de SDSS, con los datos de 2010 m\u00e1s SDSS dando lugar a la regi\u00f3n en rojo. Fuente: eBOSS<\/figcaption><\/figure>\n

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Santiago \u00c1vila desarroll\u00f3 nuevas t\u00e9cnicas para simular las galaxias de eBOSS. Las simulaciones que produjo fueron clave para entender la informaci\u00f3n que esperamos encontrar en los datos. Estas simulaciones cubren una amplio rango de modelos de formaci\u00f3n de galaxias que consideramos plausibles, dentro de nuestro conocimiento actual de la formaci\u00f3n de galaxias. De este modo, sirven para cerciorarnos que podemos confiar en las t\u00e9cnicas que usamos para extraer la informaci\u00f3n cosmol\u00f3gica, y que la f\u00edsica de formaci\u00f3n gal\u00e1ctica no sesga las conclusiones que extraemos sobre el Universo.<\/p>\n

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M\u00e1s informaci\u00f3n sobre los resultados eBOSS:<\/strong><\/p>\n