Los investigadores han canalizado la luz más temprana del universo, una reliquia de la formación del universo conocida como fondo cósmico de microondas CMB, para resolver un misterio de materia faltante y aprender cosas nuevas sobre la formación de galaxias. Su trabajo también podría ayudarnos acomprender mejor la energía oscura y probar la teoría de la relatividad general de Einstein proporcionando nuevos detalles sobre la velocidad a la que las galaxias se mueven hacia nosotros o se alejan de nosotros.
La materia oscura invisible y la energía oscura representan aproximadamente el 95% de la masa y la energía totales del universo, y la mayoría del 5% que se considera materia ordinaria tampoco se ve en gran medida, como los gases en las afueras de las galaxias que componen sulos llamados halos.
La mayor parte de esta materia ordinaria está formada por neutrones y protones, partículas llamadas bariones que existen en los núcleos de átomos como el hidrógeno y el helio. Solo alrededor del 10% de la materia bariónica está en forma de estrellas, y la mayor parte del restohabita el espacio entre las galaxias en hebras de materia caliente y dispersa conocida como el medio intergaláctico cálido-caliente, o WHIM.
Debido a que los bariones están tan dispersos en el espacio, ha sido difícil para los científicos obtener una imagen clara de su ubicación y densidad alrededor de las galaxias. Debido a esta imagen incompleta de dónde reside la materia ordinaria, la mayoría de los bariones del universo pueden considerarse como"desaparecidos."
Ahora, un equipo internacional de investigadores, con contribuciones clave de físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de EE. UU. Berkeley Lab y la Universidad de Cornell, ha mapeado la ubicación de estos bariones faltantes al proporcionar las mejores mediciones, hasta la fecha,de su ubicación y densidad alrededor de grupos de galaxias.
Resulta que, después de todo, los bariones están en halos de galaxias, y que estos halos se extienden mucho más lejos de lo que los modelos populares habían predicho. Si bien la mayoría de las estrellas de una galaxia individual se encuentran típicamente dentro de una región que está a unos 100.000 años luz de la galaxia.centro, estas mediciones muestran que para un grupo dado de galaxias, los bariones más distantes pueden extenderse unos 6 millones de años luz desde su centro.
Paradójicamente, esta materia faltante es aún más difícil de trazar que la materia oscura, que podemos observar indirectamente a través de sus efectos gravitacionales sobre la materia normal. La materia oscura es la materia desconocida que constituye aproximadamente el 27% del universo; y la energía oscura, que separa la materia en el universo a un ritmo acelerado, constituye aproximadamente el 68% del universo.
"Solo un pequeño porcentaje de la materia ordinaria está en forma de estrellas. La mayor parte está en forma de gas que generalmente es demasiado débil, demasiado difuso para poder detectarlo", dijo Emmanuel Schaan, becario postdoctoral de Chamberlain en Berkeley.Lab's Physics Division y autor principal de uno de los dos artículos sobre los bariones faltantes, publicado el 15 de marzo en la revista Revisión física D.
Los investigadores utilizaron un proceso conocido como efecto Sunyaev-Zel'dovich que explica cómo los electrones CMB obtienen un impulso de energía a través de un proceso de dispersión a medida que interactúan con los gases calientes que rodean los cúmulos de galaxias.
"Esta es una gran oportunidad para mirar más allá de las posiciones de las galaxias y de las velocidades de las galaxias", dijo Simone Ferraro, miembro de la división de la División de Física de Berkeley Lab que participó en ambos estudios.las galaxias se mueven. Complementará las mediciones que hacen otros observatorios y las hará aún más poderosas ", dijo.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell, compuesto por la investigadora asociada Stefania Amodeo, profesora asistente. El profesor Nicholas Battaglia y la estudiante de posgrado Emily Moser, dirigieron el modelado y la interpretación de las mediciones, y exploraron sus consecuencias para las lentes gravitacionales débiles y las galaxias.formación.
Los algoritmos informáticos que desarrollaron los investigadores deberían resultar útiles para analizar datos de "lentes débiles" de experimentos futuros con alta precisión. Los fenómenos de lentes ocurren cuando los objetos masivos, como las galaxias y los cúmulos de galaxias, se alinean aproximadamente en una línea particular de sitio de modo que la gravitaciónlas distorsiones en realidad doblan y distorsionan la luz del objeto más distante.
La lente débil es una de las principales técnicas que utilizan los científicos para comprender el origen y la evolución del universo, incluido el estudio de la materia oscura y la energía oscura. Aprender la ubicación y distribución de la materia bariónica pone estos datos al alcance de la mano.
"Estas mediciones tienen profundas implicaciones para las lentes débiles, y esperamos que esta técnica sea muy eficaz para calibrar las futuras encuestas de lentes débiles", dijo Ferraro.
Schaan señaló: "También obtenemos información que es relevante para la formación de galaxias".
En los últimos estudios, los investigadores se basaron en un conjunto de datos de galaxias del Estudio espectroscópico de oscilación de bariones BOSS en tierra en Nuevo México, y en datos del CMB del Telescopio de cosmología de Atacama ACT en Chile y el estudio espacial de la Agencia Espacial Europea.Telescopio Planck. Berkeley Lab desempeñó un papel de liderazgo en el esfuerzo de mapeo de BOSS y desarrolló las arquitecturas computacionales necesarias para el procesamiento de datos de Planck en NERSC.
Los algoritmos que crearon se benefician del análisis utilizando la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía NERSC financiado por el DOE de Berkeley Lab. Los algoritmos contaron electrones, lo que les permitió ignorar la composición química de los gases.
"Es como una marca de agua en un billete de banco", explicó Schaan. "Si lo pones frente a una luz de fondo, la marca de agua aparece como una sombra. Para nosotros, la luz de fondo es el fondo cósmico de microondas. Sirve para iluminar el gasdesde atrás, para que podamos ver la sombra a medida que la luz del CMB viaja a través de ese gas ".
Ferraro dijo: "Es la primera medición realmente de gran importancia que realmente determina dónde estaba el gas".
La nueva imagen de los halos de galaxias proporcionada por el software "ThumbStack" que los investigadores crearon: áreas esféricas masivas y difusas que se extienden mucho más allá de las regiones iluminadas por estrellas. Este software es eficaz para mapear esos halos incluso para grupos de galaxias que tienen halos de baja masay para aquellas que se están alejando de nosotros muy rápidamente conocidas como galaxias de "alto corrimiento al rojo".
Los nuevos experimentos que deberían beneficiarse de la herramienta de mapeo de halo incluyen el Instrumento espectroscópico de energía oscura, el Observatorio Vera Rubin, el Telescopio espacial romano Nancy Grace y el telescopio espacial Euclid.
NERSC es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
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