Cómo el universo adoptó su estructura

Analizan la relación entre el crecimiento de las galaxias y el entorno durante los últimos 9.000 millones de años, cuando se definió la apariencia de las galaxias modernas

El universo está lleno de miles de millones de galaxias, pero su distribución en el espacio está lejos de ser uniforme. ¿Por qué vemos tanta estructura en el universo hoy en día y cómo se formó y creció todo?

Un estudio de 10 años sobre decenas de miles de galaxias realizado con el Telescopio Magallanes Baade en el Observatorio Las Campanas de Carnegie en Chile proporcionó un nuevo enfoque para responder a este misterio fundamental. Los resultados, dirigidos por Daniel Kelson de Carnegie, se publican en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"¿Cómo se describe lo indescriptible?" pregunta Kelson. "Tomando un enfoque completamente nuevo para el problema".

"Nuestra táctica proporciona nuevas e intuitivas ideas sobre cómo la gravedad impulsó el crecimiento de la estructura desde los primeros tiempos del universo", dijo el co-autor Andrew Benson. "Esta es una prueba directa, basada en la observación de uno de los pilares de la cosmología".

El estudio Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift Survey fue diseñado para analizar la relación entre el crecimiento de las galaxias y el entorno durante los últimos 9.000 millones de años, cuando se definió la apariencia de las galaxias modernas.

Las primeras galaxias se formaron unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, que inició el universo como una sopa caliente y turbia de partículas extremadamente energéticas. A medida que este material se expandió hacia afuera desde la explosión inicial, se enfrió, y las partículas se fusionaron en gas de hidrógeno neutro. Algunas zonas eran más densas que otras y, finalmente, su gravedad venció la tendencia a una trayectoria del universo hacia el exterior, colapsando el material hacia el interior, y formando los primeros grupos de estructura en el cosmos.

Las diferencias de densidad que permitieron que se formaran estructuras grandes y pequeñas en algunos lugares y en otros no, han sido un tema de fascinación desde hace mucho tiempo. Hasta ahora, las habilidades de los astrónomos para modelar cómo creció la estructura en el universo en los últimos 13.000 millones de años se enfrentaban a limitaciones matemáticas.

"Las interacciones gravitatorias que ocurren entre todas las partículas del universo son demasiado complejas para explicarlas con simples matemáticas", dijo Benson.

Así que los astrónomos utilizaron aproximaciones matemáticas - que comprometieron la precisión de sus modelos - o grandes simulaciones por ordenador que modelan numéricamente todas las interacciones entre galaxias, pero no todas las interacciones que ocurren entre todas las partículas, lo que se consideró demasiado complicado.

"Un objetivo clave de nuestro estudio era contabilizar la masa presente en las estrellas encontradas en una enorme selección de galaxias distantes y luego usar esta información para formular un nuevo enfoque para comprender cómo se formó la estructura en el universo", explicó Kelson.

El equipo de investigación - que también incluyó a Louis Abramson, Shannon Patel, Stephen Shectman, Alan Dressler, Patrick McCarthy, y John S. Mulchaey, así como a Rik Williams, ahora de Uber Technologies - demostró por primera vez que el crecimiento de las protoestructuras individuales puede ser calculado y luego promediado en todo el espacio.

Esto reveló que los grupos más densos crecieron más rápido, y que los grupos menos densos crecieron más lentamente.

Entonces fueron capaces de trabajar hacia atrás y determinar las distribuciones originales y las tasas de crecimiento de las fluctuaciones de densidad, que con el tiempo se convertirían en las estructuras a gran escala que determinaron las distribuciones de las galaxias que vemos hoy en día.

En esencia, su trabajo proporcionó una descripción simple, pero precisa, de por qué y cómo las fluctuaciones de densidad crecen de la forma en que lo hacen en el universo real, así como en trabajo basado en computación que sustenta nuestra comprensión de la infancia del universo.

"Y es tan simple y elegante", añadió Kelson.

Los hallazgos no habrían sido posibles sin la asignación de un número extraordinario de noches de observación en Las Campanas.

"Muchas instituciones no habrían tenido la capacidad de asumir por sí mismas un proyecto de esta envergadura", dijo el Director de Observatorios John Mulchaey. "Pero gracias a nuestros Telescopios Magallanes, fuimos capaces de ejecutar esta investigación y crear este novedoso enfoque para responder a una pregunta clásica".

"Aunque no hay duda de que este proyecto requirió los recursos de una institución como Carnegie, nuestro trabajo tampoco podría haberse realizado sin el tremendo número de imágenes infrarrojas adicionales que pudimos obtener en Kit Peak y Cerro Tololo, que forman parte del Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica e Infrarroja de la NSF", añadió Kelson.

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