La primera observación de un efecto cósmico propuesto teóricamente hace 40 años, podría proporcionar a los astrónomos una herramienta más precisa para comprender las fuerzas tras la formación y crecimiento del universo, incluyendo los enigmáticos fenómenos de la energía y materia oscura.
Un gran equipo de investigación procedente de dos grandes estudios de astronomía informa en un artículo enviado a la revista Physical Review Letters de que los científicos detectaron el movimiento de cúmulos de galaxias lejanas a través del efecto cinemático Sunyaev-Zel’dovich (kSZ), que nunca antes había sido observado. El artículo se publicó recientemente en arXiv, y se inició en la Universidad de Princeton por el autor principal Nick Hand como parte de su tesis doctoral. Cincuenta y ocho colaboradores procedentes de los proyectos Atacama Cosmology Telescope (ACT) y Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) se listan como coautores.
Arp 274 © by thebadastronomer
Propuesto en 1972 por los físicos rusos Rashid Sunyaev y Yakov Zel’dovich, el efecto kSZ aparece cuando el gas caliente en los cúmulos de galaxias distorsiona la radiación del fondo de microondas cósmico — que es el brillo del calor dejado por el Big Bang — que impregna nuestro universo. La radiación que pasa a través de un cúmulo de galaxias que se mueve hacia la Tierra parece unas millonésimas de grado más caliente, mientras que la radiación que pasa a través de un cúmulo que se aleja, parece ligeramente más fría.
Ahora que ha sido detectado, el efecto kSZ podría mostrarse como una excepcional herramienta para medir la velocidad de objetos en el universo lejano, según informan los investigadores. Podría proporcionar una visión sobre la fuerza que obliga al tirón gravitatorio sobre cúmulos de galaxias y otros cuerpos. La principal entre estas fuerzas son las hipotéticas energía y materia oscuras, que se cree que dirigen la expansión del universo y los movimientos de las galaxias.
Además, la fuerza de la señal del efecto kSZ depende de la distribución de los electrones dentro y alrededor de las galaxias. Como resultado, el efecto sólo puede usarse para rastrear las posiciones de átomos en el universo cercano, lo cual puede revelar cómo se forman las galaxias.
Los beneficios del efecto kSZ parten de una capacidad única de fijar la velocidad, dice Hand, graduado en Princeton en 2011 y que ahora es estudiante graduado en astronomía en la Universidad de California en Berkeley. Los investigadores detectaron el movimiento de los cúmulos de galaxias que están a varios miles de millones de años luz moviéndose a velocidades de hasta 600 kilómetros por segundo.
“Los métodos tradicionales de medida de la velocidad requieren unas medidas de distancia muy precisas, lo cual es complicado. Por esto, dichos métodos tiene mayor utilidad cuando los objetos están más cerca de la Tierra”, dice Hand.
“Una de las principales ventajas del efecto kSZ es que esta magnitud es independiente de la distancia al cúmulo de galaxias, por lo que podemos medir la velocidad del movimiento de un objeto hacia o alejándose de la Tierra a distancias mucho mayores de lo que no es ahora posible”, comenta Hand. “En el futuro, puede proporcionar una comprobación estadística adicional que sea independiente de otros métodos de medida de parámetros cosmológicos, y la comprensión de cómo se forma el universo a gran escala”.
Pedro Ferreira, profesor de astrofísica en la Universidad de Oxford, catalogó el artículo como un “precioso trabajo” que demuestra claramente un método preciso para estudiar la evolución del universo y la distribución de materia en el mismo. Ferreira no tuvo ningún papel en la investigación pero está familiarizado con ella.
“Esta es la primera vez que se ha detectado de manera inequívoca el efecto kSZ, lo cual por sí mismo ya es un resultado realmente importante”, comenta Ferreira.
“Estudiando cómo se mueven las galaxias y cúmulos de galaxias por el universo, el efecto kSZ está investigando indirectamente cómo se reúnen y evolucionan los objetos en el universo”, dice. “Por tanto es enormemente dependiente de la energía y materia oscuras. Puedes ver el efecto kSZ como una ventana completamente nueva a la estructura a gran escala del universo”.
Combinar datos fundamentalmente diferentes
Para encontrar el efecto kSZ, los investigadores combinaron y analizaron datos procedentes de los proyectos ACT y BOSS. El efecto kSZ es tan pequeño que no es visible a partir de la interacción de un cúmulo de galaxias aislado con el fondo de microondas cósmico (CMB), pero puede detectarse recopilando señales de varios cúmulos, según descubrieron los investigadores.
El ACT es un telescopio de diseño personalizado de 6 metros situado en Chile y construido para producir un mapa detallado del CMB usando las frecuencias de microondas. La colaboración ACT incluye a docenas de universidades, con una contribución principal de Princeton y la Universidad de Pennsylvania, e incluye importante tecnología de detección procedente del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), y la Universidad de British Columbia.
BOSS, un estudio en luz visible con sede en el Observatorio de Apache Point en Nuevo México, ha captado espectros de miles de galaxias luminosas y quásares para mejorar la comprensión de la estructura a gran escala del universo. BOSS es una parte del Sloan Digital Sky Survey III, la tercera fase del proyecto de astronomía más productivo de la historia, y un esfuerzo conjunto entre 27 universidades e instituciones de todo el mundo.
Para el proyecto actual, los investigadores del ACT recopilaron un catálogo de 27 291 galaxias luminosas procedentes de BOSS que aparecieron en la misma región del cielo cartografiada por el ACT entre 2008 y 2010. Debido a que cada galaxia probablemente se encuentra en un cúmulo de galaxias, sus posiciones se usaron para determinar las posiciones de los cúmulos que distorsionarían la radiación del CMB detectada por el ACT.
Hand usó las 7500 galaxias más brillantes procedentes de los datos de BOSS para descubrir la señal kSZ predicha, producto de la interacción de un cúmulo de galaxias con la radiación del CMB. El colaborador de ACT Arthur Kosowsky, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Pittsburgh, sugirió una media matemática concreta que refleja la ligera tendencia de pares de cúmulos de galaxias a acercarse entre sí debido a la mutua atracción gravitatoria, que hizo que el efecto kSZ fuese más aparente en los datos.
El solapamiento de datos de ambos proyectos fue esencial, debido a que la amplitud de la señal del efecto kSZ es muy pequeña, dice el colaborador del ACT David Spergel, profesor y director del departamento de ciencias astrofísicas en Princeton, así como director de tesis de Hand. Promediando los mapas del CMB de ACT con miles de posiciones de galaxias de BOSS, la señal kSZ se hizo más fuerte en comparación con las señales no relacionadas y errores de medida, comenta Spergel.
“La señal kSZ es pequeña debido a que las probabilidades de que una microonda impacte en un electrón que pasa a través de un cúmulo de galaxias es baja, y el cambio en la energía de la microonda procedente de la colisión es bajo”, apunta Spergel, Profesor Charles A. Young de Astronomía de la Clase de la Fundación 1897. “Incluir varios miles de galaxias en el conjunto de datos redujo la distorsión y nos dejó una señal muy potente”.
De hecho, analizados por separado, ni los datos de ACT ni los de BOSS habrían revelado el efecto kSZ, señala Kosowsky. “Este resultado es un gran ejemplo de un importante descubrimiento científico que depende de la riqueza de datos procedentes de más de un gran estudio astronómico”, afirma. “Los investigadores de las colaboraciones ACT y BOSS no tenían esto en mente cuando diseñaron inicialmente sus experimentos”.
Esto se debe a que los proyectos ACT y BOSS son fundamentalmente distintos, lo que hace que sea única la combinación de datos de los investigadores, dice el portavoz científico de SDSS-III Michael Wood-Vasey, profesor asistente de física y astronomía en la Universidad de Pittsburgh. Los proyectos difieren en los objetos cósmicos estudiados, el método de recopilación de datos e incluso las longitudes de onda en las que operan — las microondas para ACT, y la luz visible para BOSS.
“Las colaboraciones entre proyectos de esta escala no son comunes en mi experiencia”, señala Wood-Vasey. “También fue una colaboración posterior a los hechos, en el sentido de que las estrategias de adquisición de datos para estos proyectos ya estaba fijadas sin pensar en esta posibilidad. La visión de los investigadores principales de este proyecto les permitió combinar los conjuntos de datos y realizar estas medidas”.
Fuente: Ciencia Kanija - Universidad de Princeton
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