En el principal modelo de cosmología actual, la mayor parte del universo es invisible: alrededor del 95 por ciento del universo está compuesto de materia y energía oscuras. Los científicos aún no saben qué es realmente, pero sus efectos no están claros. La materia oscura proporciona gravedad adicional que ayuda a dar forma a las galaxias y cúmulos, mientras que la energía oscura está asociada con la expansión acelerada del universo. Debido a que estos elementos no emiten luz, los investigadores pueden aprender sobre ellos rastreando cómo afectan el universo visible. Los astrofísicos de la Universidad de Chicago hicieron precisamente eso: estudiaron una nueva región del cielo para comprender mejor el cosmos oculto.
Entre 2013 y 2019, el Dark Energy Survey (DES) recopiló observaciones con la Cámara de Energía Oscura (DECam) en el telescopio Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile. Durante ese tiempo, DES ha medido y calibrado el tamaño de más de 150 millones de galaxias en 5.000 grados cuadrados (aproximadamente un octavo) del cielo. Estas mediciones de la forma de las galaxias ayudan a los científicos a refinar sus estimaciones de cómo se distribuye la masa en el universo y cómo se comporta la energía oscura.
DES también ha desempeñado un papel en un importante rompecabezas reciente relacionado con el modelo lambda-CDM (LCDM), el marco estándar utilizado para describir el universo. Algunos estudios del universo cercano que utilizan estudios de galaxias como DES parecen no estar de acuerdo con las predicciones basadas en el universo temprano, inferidas del fondo cósmico de microondas (CMB), la radiación que quedó del Big Bang.
Aunque DECam se creó para admitir DES, recopiló muchas imágenes más allá de la huella original de DES. En un nuevo conjunto del Open Journal of Astrophysics, los astrofísicos de la Universidad de Chicago utilizaron esas observaciones adicionales y casi duplicaron el número de galaxias con tamaños medidos añadiendo datos de miles de grados cuadrados fuera de la región DES. Debido a que estas imágenes no fueron capturadas originalmente para un trabajo de lentes débiles, el conjunto de datos ampliado proporciona un medio independiente para reexaminar anomalías LCDM anteriores.
Lentes gravitacionales débiles y por qué son importantes las formas de las galaxias
Las lentes gravitacionales se producen cuando la masa desvía la luz y es una de las herramientas más poderosas para estudiar dónde se encuentra la masa en el universo. Contiene materia oscura además de materia normal, y podría arrojar luz sobre el papel de la energía oscura, dijo Chihwe Chang, profesor asociado de astronomía y astrofísica y director del proyecto Dark Energy Camera All Data Everywhere (DECADE) Weak Lensing Cosmic Shear.
En lentes gravitacionales débiles, las galaxias no parecen expandirse dramáticamente. En cambio, sus formas aparecen ligeramente distorsionadas (cortadas) a medida que su luz atraviesa y rodea la materia en su camino hacia la Tierra. La señal es extremadamente pequeña, por lo que los investigadores dependen de métodos estadísticos para detectarla.
“Las mediciones de lentes débiles son óptimas para sondear la ‘inercia’ de la materia”, dijo Dhaya Anbazagane, estudiante de doctorado en astronomía y astrofísica, analista principal y primer autor de una serie de artículos de DECADE. “Medir esta inercia arroja luz sobre el origen y la evolución de estructuras como las galaxias y los cúmulos de galaxias. Es similar a medir la distribución de las personas (materia) que viven en un área y utilizarla para comprender características como la topografía de un paisaje o la ubicación o edad de las áreas urbanas (factores de evolución y factores de formación)”.
Medir distancias de galaxias y probar el modelo de cosmología estándar
Para el trabajo de DECADE, los investigadores midieron los tamaños de más de 100 millones de galaxias. También estimaron qué tan lejos están esas galaxias analizando cuánto se desplaza la luz de cada galaxia hacia longitudes de onda rojas (desplazamiento al rojo). Ese cambio muestra qué tan rápido se aleja una galaxia y puede usarse para calcular su distancia de la Tierra.
Teniendo en cuenta el tamaño y la distancia de la galaxia, el equipo ajustó el modelo LCDM a las observaciones. El LCDM es el modelo cosmológico más utilizado que tiene en cuenta la energía oscura, la materia oscura, la materia ordinaria, los neutrinos y la radiación. “Este es un modelo bien probado que ha sobrevivido a muchas, muchas pruebas durante la última década, y nuestros datos continúan contribuyendo a esa historia”, dijo Chang.
Los resultados de DECADE muestran que el crecimiento de la estructura cósmica coincide con lo que predice el LCDM, alineándose con estudios previos de lentes débiles. “Además, cuando se comparan nuestras limitaciones con las obtenidas y extrapoladas del CMB del universo temprano, también estamos de acuerdo”, dijo Chang. “Este último punto ha sido fuente de debate durante los últimos cinco años aproximadamente, y con nuestros nuevos resultados, podemos decir que no vemos la tensión entre las lentes débiles y el CMB”.
“Pudimos combinar mediciones de lentes de DECADE con DES, lo que dio como resultado un análisis de lentes de galaxias que utiliza el mayor número de galaxias (270 millones) en la zona más amplia del cielo (13.000 grados cuadrados) hasta la fecha”, dijo Anbazagane. “Dada esta gran cantidad de datos, podemos tomar decisiones particularmente conservadoras en nuestro análisis, como crear o usar las mediciones en las que más creemos, en lugar de todas las mediciones útiles o posibles, y aun así realizar una medición con suficiente precisión para informar de manera significativa nuestra comparación con el CMB”.
Un estudio poco convencional construido a partir de imágenes de archivo de telescopios
DECADE proporciona una verificación independiente de que los resultados de las lentes débiles concuerdan con las expectativas basadas en CMB, utilizando una parte del cielo diferente a la de DES pero en una escala comparable. Alex Drolica-Wagner, científico del Fermilab y profesor asociado de astronomía y astrofísica de la Universidad de Chicago que dirigió la campaña de observación DECADE, señaló que el éxito no estaba garantizado al principio. “No estaba claro que el conjunto de datos de DECADE tuviera la calidad suficiente para realizar un análisis cosmológico, pero hemos demostrado que puede producir resultados realmente sólidos”, dijo.
Una característica destacada del proyecto involucró decisiones sobre la calidad de la imagen, explicó Anbajagane. Los estudios tradicionales sobre lentes débiles recopilan cerca de cien mil imágenes creadas expresamente a lo largo de muchos años, y muchos fotogramas se rechazan cuando no cumplen con criterios estrictos. “El proyecto DECADE es único porque reutiliza datos de archivo (imágenes tomadas originalmente por la comunidad astronómica para una variedad de objetivos científicos, desde el estudio de galaxias enanas hasta cúmulos de galaxias distantes) y utiliza criterios significativamente más estrictos para la calidad de la imagen. Nuestro trabajo muestra que se analizan lentes fuertes incluso si no podemos hacer campaña”, dijo.
Este enfoque podría influir en la forma en que los investigadores realizan futuros estudios de lentes débiles, incluido Vera C. Rubin se basa en la encuesta Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). El uso de una mayor proporción de imágenes disponibles puede aumentar la precisión de las mediciones cosmológicas. La capacidad del equipo para utilizar imágenes de archivo también depende en gran medida de una cuidadosa inspección de las imágenes, dirigida por Chin Yi Tan, un estudiante de doctorado en física.
Un enorme catálogo público de galaxias y colaboración global
Combinado con DES, el catálogo final cubre aproximadamente un tercio del cielo (13.000 grados cuadrados) e incluye 270 millones de galaxias. El catálogo se entregó a la comunidad científica este otoño y los investigadores ya han comenzado a utilizar las imágenes para otros estudios, incluido el trabajo sobre galaxias enanas y nuevos mapas de la masa del universo. “Estamos trabajando activamente con expertos del Instituto Kavli de Física Cosmológica y aplicando otros métodos de análisis a nuestros datos”, dijo Anbazagane.
El análisis de DECADE reunió a científicos de UChicago, Fermilab y NCSA en UIUC, con colaboradores de Argonne, UW-Madison y muchas otras instituciones de todo el mundo. “Tener estos diferentes elementos en el pasillo fue bastante especial”, dijo Chang. “También nos permitió aprender unos de otros y resultó en un resultado inesperado pero maravilloso de este proyecto”.
