¿Cómo es el nuevo mapa del crecimiento cósmico del universo que apoya la teoría de la gravedad de Einstein?

Durante milenios, los humanos han estado fascinados por los misterios del cosmos. A diferencia de los filósofos antiguos que imaginaban los orígenes del universo, los cosmólogos modernos utilizan herramientas cuantitativas para obtener información sobre su evolución y estructura. Es que el estudio del universo, en la actualidad, se remonta a principios del siglo XX, con el desarrollo de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein.

Ahora, un grupo de investigadores que integran el equipo de trabajo del Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) envió una serie de artículos a The Astrophysical Journal en los que presentan un nuevo e innovador mapa de materia oscura distribuida en una cuarta parte del cielo, que se extiende profundamente en el cosmos.

De este modo, los expertos confirmaron la teoría de Einstein de cómo estructuras masivas crecen y han estado desviando la luz durante los 14 mil millones de años de vida del universo. Siendo que el nuevo mapa utiliza la luz del fondo cósmico de microondas (CMB), esencialmente, como iluminación de fondo para perfilar todo el espacio entre nosotros y el Big Bang.

“Es un poco como delinear la silueta, pero en lugar de tener solo negro en ella, se obtuvo textura y grumos de materia oscura, como si la luz atravesara una cortina de tela que tuviera muchos nudos y protuberancias. La famosa imagen CMB azul y amarilla que representa el Big Bang es una instantánea de cómo era el universo en una sola época, hace unos 13 mil millones de años, y ahora nos brinda información sobre todas las épocas desde entonces”, analizó Suzanne Staggs, director de ACT y profesor Henry DeWolf Smyth de Física en la Universidad de Princeton.

”Es emocionante poder ver lo invisible, descubrir este andamio de materia oscura que contienen nuestras galaxias visibles llenas de estrellas. En esta nueva imagen, podemos ver directamente la red cósmica invisible de materia oscura que rodea y conecta las galaxias”, completó Jo Dunkley, profesor de física y ciencias astrofísicas, quien dirige el análisis de ACT.

Por su parte, David Spergel, profesor de astronomía de Princeton en la Fundación Class of 1897, emérito y presidente de la Fundación Simons, sostuvo que “por lo general, los astrónomos solo pueden medir la luz, por lo que vemos cómo se distribuyen las galaxias en el universo; estas observaciones revelan la distribución de la masa, por lo que muestran principalmente cómo se extiende la materia oscura a través de nuestro universo”.

“Hemos mapeado la distribución invisible de la materia oscura en el cielo, y es tal como predicen nuestras teorías. Esta es una evidencia sorprendente de que hemos logrado entender la historia de cómo se formó la estructura de nuestro universo durante miles de millones de años, partiendo del momento exacto después del Big Bang hasta hoy. Sorprendentemente, el 80% de la masa del universo es invisible. Al mapear la distribución de la materia oscura en el cielo a las distancias más grandes, nuestras mediciones de lentes ACT nos permiten ver claramente este mundo invisible”, aportó el coautor Blake Sherwin, ex alumno de Princeton y profesor de cosmología en la Universidad de Cambridge, donde lidera un gran grupo de investigadores de ACT.

“Cuando propusimos este experimento en 2003, no teníamos idea de la cantidad total de información que podía extraerse de nuestro telescopio. Se lo debemos a la inteligencia de los teóricos, a las muchas personas que construyeron nuevos instrumentos para hacer que el telescopio sea más sensible y a las nuevas técnicas de análisis que ideó nuestro equipo”, indicó Mark Devlin, profesor de astronomía de Reese Flower en la Universidad de Pensilvania y director adjunto de ACT, quien fue postdoctorado de Princeton entre 1994 y 1995.

Esto incluye un nuevo y sofisticado modelo del ruido del instrumento de ACT creado por el estudiante graduado de Princeton Zach Atkins. A pesar de que constituye la mayor parte del universo, la materia oscura ha sido difícil de detectar porque no interactúa con la luz u otras formas de radiación electromagnética. Hasta donde sabemos, la materia oscura solo interactúa con la gravedad. Para rastrearla, los más de 160 colaboradores que construyeron y recopilaron datos del Telescopio de Cosmología de Atacama de la Fundación Nacional de Ciencias en los altos Andes chilenos y observaron la luz que emanaba después del amanecer de la formación del universo, el Big Bang, cuando tenía solo 380.000 años. Los cosmólogos a menudo se refieren a esta luz CMB difusa que llena todo nuestro universo como la “imagen infantil del universo”.

El equipo rastreó cómo la atracción gravitacional de las estructuras masivas de materia oscura puede deformar el CMB en su viaje de 14 mil millones de años hacia nosotros, al igual que las ventanas antiguas y llenas de bultos, se doblan y distorsionan lo que podemos ver a través de ellas.

“Hemos creado un nuevo mapa de masas usando distorsiones de luz que quedaron del Big Bang. Proporciona mediciones que muestran que tanto la grumosidad del universo como la velocidad a la que crece después de 14.000 millones de años de evolución son justo lo que cabría esperar de nuestro modelo estándar de cosmología basado en la teoría de la gravedad de Einstein”, afirmó Mathew Madhavacheril, postdoctorado de Princeton de 2016-2018, autor principal de uno de los artículos y profesor asistente de física y astronomía en la la Universidad de Pensilvania.

Sherwin, en ese tono, agregó: “Nuestros resultados también brindan nuevos conocimientos sobre un debate en curso que algunos han llamado como la crisis de la cosmología, que se deriva de mediciones recientes que utilizan una luz de fondo diferente, una emitida por estrellas en galaxias en lugar del CMB. Estos han producido resultados que sugieren que la materia oscura no era lo suficientemente grumosa según el modelo estándar de cosmología y generó preocupaciones de que el modelo podría romperse. Sin embargo, los últimos resultados del equipo de ACT evaluaron con precisión que los grandes bultos que se ven en esta imagen tienen exactamente el tamaño correcto”.

”Si bien estudios anteriores señalaron grietas en el modelo cosmológico estándar, nuestros hallazgos brindan una nueva garantía de que nuestra teoría fundamental del universo es cierta. El CMB ya es famoso por sus mediciones incomparables del estado primordial del universo, por lo que estos mapas de lentes, que describen su evolución posterior, desbordan de riquezas”, dijo Frank Qu, autor principal de uno de los artículos y estudiante graduado de Cambridge, así como ex Investigador visitante de Princeton.

Staggs, cuyo equipo construyó los detectores que recopilaron estos datos sobre el últimos cinco años, aportó: “Ahora tenemos un segundo mapa muy detallado del universo En lugar de una ‘crisis’, creo que tenemos una oportunidad extraordinaria de usar estos diferentes conjuntos de datos reunidos. Nuestro mapa incluye toda la materia oscura, desde el Big Bang, y los otros mapas miran hacia atrás unos 9 mil millones de años, lo que nos da una capa que está mucho más cerca de nosotros. Podemos comparar los dos para aprender sobre el crecimiento de las estructuras en el universo. Creo que va a resultar muy interesante. Que los dos enfoques obtengan medidas diferentes es fascinante”.

ACT, que funcionó durante 15 años, fue dado de baja en septiembre de 2022. Sin embargo, se espera que pronto se den a conocer más documentos que presenten los resultados del conjunto final de observaciones, y el Observatorio Simons realizará futuras tareas en el mismo sitio, con un nuevo telescopio programado para comenzar a operar en 2024. Este nuevo instrumento será capaz de mapear el cielo casi 10 veces más rápido que ACT.

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