El grupo internacional de investigadores del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) publica hoy un análisis exhaustivo del mayor mapa tridimensional del Universo jamás creado, que llena los vacíos más significativos en nuestra exploración de la historia del cosmos.
Nuestro conocimiento sobre el Universo incluye tanto su historia antigua como la historia reciente de su expansión. Gracias al estudio de la radiación electromagnética conocida como el fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), y a las mediciones de las cantidades relativas de los elementos creados poco después del Big Bang, podemos saber cómo era el Universo en su infancia. También conocemos la historia de la expansión del Universo a lo largo de los últimos mil millones de años, gracias a los mapas de galaxias y de las distancias entre ellas.
Sin embargo, entre ambos períodos existían vacíos de información en un lapso correspondiente a 11.000 millones de años. Durante cinco años, los científicos del SDSS han trabajado para conocer qué ocurrió durante ese período, y han utilizado esa información para conseguir uno de los avances más importantes en cosmología de la última década. En el núcleo de los nuevos resultados se encuentran las mediciones detalladas de más de dos millones de galaxias y cuásares, que cubren 11.000 millones de años de tiempo cósmico.
El mapa más exhaustivo del Universo
El Sloan Digital Sky Survey (SDSS) es un proyecto de investigación del espacio a través de imágenes del espectro visible y corrimiento al rojo, que utiliza un telescopio óptico de dos metros y medio situado en Nuevo México (Estados Unidos). Uno de los programas que componen el SDSS es el Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), en la que participan más de cien astrofísicos.
Héctor Gil-Marín, investigador postdoctoral del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona, ha liderado el análisis de estos mapas de galaxias midiendo el ritmo de expansión y el crecimiento de las estructuras del Universo de hace 6.000 millones de años. Estas medidas ayudan a unir lo que ya se sabía sobre la física inicial del Universo con lo que se conocía sobre su historia más reciente, lo que permite generar una imagen completa de la expansión del Universo a lo largo del tiempo.
Los investigadores han utilizado galaxias rojas y masivas para obtener la parte del mapa datada hace 6.000 millones de años. Para distancias más lejanas, han usado galaxias azules más jóvenes. Por último, han utilizado cuásares —galaxias brillantes que se iluminan como consecuencia de la materia absorbida por un agujero negro supermasivo situado en su núcleo— para obtener el mapa del Universo de hace 11.000 millones de años y tiempos anteriores. Para revelar los patrones del Universo se ha hecho un análisis muy cuidadoso de cada medida, con el objetivo de eliminar posibles contaminantes.
El mapa que han obtenido revela filamentos y vacíos que definen la estructura del Universo desde el momento en que tenía solo unos 300.000 años. Usando este mapa, los investigadores han buscado patrones en la distribución de las galaxias, que proporcionan información sobre diversos parámetros clave de nuestro Universo (las señales de estos patrones se muestran en los recuadros de la imagen).
El mapa del SDSS se muestra como un arco iris de colores, ubicado dentro del Universo observable (la esfera exterior, que muestra las fluctuaciones en el fondo cósmico de microondas). Estamos situados en el centro de este mapa. El recuadro para cada sección del mapa codificada por colores incluye la imagen de una galaxia o cuásar típico de esa sección, y también la señal del patrón que el equipo de eBOSS mide allí. Al mirar a lo lejos, miramos hacia atrás en el tiempo. Por lo tanto, la ubicación de estas señales revela la tasa de expansión del Universo en diferentes momentos de la historia cósmica.
Midiendo la expansión del Universo
Santiago Ávila, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), explica «Hemos medido las propiedades estadísticas de estos mapas de galaxias y hemos deducido la tasa a la que se expande el Universo a lo largo del tiempo». Ávila es quien ha desarrollado nuevos métodos para simular por ordenador mapas de galaxias como los que se observan en este estudio. «En combinación con datos adicionales del fondo cósmico de microondas y observaciones de supernovas, hemos deducido que la curvatura geométrica del Universo es, de hecho, plana, y también hemos medido la tasa de expansión local con una precisión superior al 1%».
La historia cósmica que revela el mapa muestra que la expansión del Universo comenzó a acelerarse hace unos 6.000 millones de años, y que ha seguido en aumento desde entonces. Al combinar las observaciones con los estudios sobre la infancia del Universo, los investigadores han obtenido una imagen con algunas incompatibilidades. La medición del ritmo actual de expansión del Universo (la conocida como constante de Hubble) es aproximadamente un 10 % inferior al valor encontrado cuando se mide el ritmo de expansión utilizando la distancia a galaxias cercanas. «La alta precisión de los datos hace muy improbable que este desajuste se deba al azar» explica Andreu Font Ribera, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE).
Esta expansión acelerada podría deberse a un misterioso componente invisible del Universo llamado energía oscura. No existe una explicación ampliamente aceptada para esta discrepancia en las medidas de las tasas de expansión, y a pesar de que la existencia de la energía oscura es consistente con la teoría general de la relatividad de Einstein, resulta extremadamente difícil de conciliar con nuestro conocimiento actual de la física de partículas. Una posibilidad emocionante es que una forma previamente desconocida de materia o energía del Universo temprano hubiese dejado una huella en la expansión que observamos en la actualidad.
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La siguiente generación de telescopios
Siguiendo el camino del SDSS, ya se está trabajando en la siguiente generación de telescopios que relevarán a eBOSS. Se empezará a finales de año con el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), que observará diez veces más galaxias y cuásares que eBOSS gracias a un nuevo instrumento localizado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (Arizona, Estados Unidos). Al mismo tiempo, la Agencia Espacial Europea planea para 2022 el despegue del satélite Euclid, equipado con un telescopio único que proporcionará una visión complementaria del Universo. Estos instrumentos, ambos con participación española, aportarán datos con una precisión nunca vista hasta el momento, hecho que nos permitirá resolver el enigma de la energía oscura y la discordancia entre el ritmo de expansión del Universo local y el primitivo. O tal vez, revelarán más sorpresas.
Más información
Nota de prensa (en inglés) en la web del ICCUB
Nota de prensa internacional en la web de SDSS
¿Qué es la constante de Hubble?
La constante de Hubble indica el ritmo de expansión del Universo, y a pesar de llamarse constante, es un valor que evoluciona con el tiempo. Se denomina H0 al valor de la constante en el momento de observación. La constante de Hubble es un número clave en astronomía ya que se utiliza para calcular el tamaño y la edad del Universo. También conocida como el parámetro de Hubble, es la constante de proporcionalidad que aparece en la forma matemática de la ley de Hubble-Lemaître, una ley física que establece que cuanto más lejos se encuentra una galaxia de otra, más rápidamente aparenta alejarse con respecto a ella.
La medida de la constante de Hubble es uno de los grandes retos de la astronomía, y ha sido objeto de debate y controversia. En la segunda mitad del siglo XX el valor de H0 se estimaba entre 50 y 90 (km/s)/Mpc. El telescopio espacial Hubble dio la resolución óptica más exacta en mayo de 2001 con su estimación final de 72±8 (km/s)/Mpc, Pero en 2018, mediciones que realizaron el investigador A. Reiss y sus colegas discrepaban casi un 9% respecto a los valores obtenidos anteriormente. Esta discrepancia entre los valores vigentes es la que en la cosmología actual se denomina “Tensión de Hubble”.
