Detectan por primera vez materia oscura de hace 12.000 millones de años


El residuo de radiación del Big Bang, distorsionado por la materia oscura hace 12.000 millones de años. Crédito: Reiko Matsushita
El residuo de radiación del Big Bang, distorsionado por la materia oscura hace 12.000 millones de años. Crédito: Reiko Matsushita

Otro descubrimiento pionero de los seis premios Nobel de la Universidad de Nagoya se remonta a partes del espacio más lejanas que nunca. En colaboración con la Universidad de Tokio y la Universidad de Princeton, los investigadores revelaron cómo observaron la formación de la materia oscura alrededor de las galaxias hace 12.000 millones de años, utilizando los residuos de radiación del Big Bang.

Puede ser un reto ver acontecimientos que ocurrieron hace tanto tiempo. Debido a la limitada velocidad de la luz, el equipo observó galaxias lejanas en su historia anterior a los mil millones de años y no en su estado actual. Observar la materia oscura, que no produce luz, es aún más difícil.

Consideremos una galaxia fuente lejana que está aún más alejada que la galaxia objetivo para estudiar su materia oscura. Como predice la teoría de la relatividad general de Einstein, la atracción gravitatoria de la galaxia en primer plano, incluida su materia oscura, distorsiona el espacio y el tiempo circundantes. La forma aparente de la galaxia se altera como resultado de la flexión de la luz de la galaxia fuente al pasar por la distorsión. La distorsión aumenta con la cantidad de materia oscura. Gracias a la distorsión, los investigadores pueden calcular la cantidad de materia oscura en las proximidades de la galaxia en primer plano (también conocida como galaxia "lente").

A partir de cierto punto, surge un problema: Las galaxias son excesivamente tenues en los confines del universo. En consecuencia, esta estrategia tiene menos éxito a medida que nos alejamos de la Tierra. Debe haber muchas galaxias de fondo para identificar la señal, ya que la distorsión de las lentes suele ser modesta y difícil de detectar.

La mayoría de los estudios se quedan en los mismos límites. Además de no poder identificar suficientes galaxias fuente lejanas para medir la distorsión, los científicos sólo pudieron analizar la materia oscura de hace no más de 8.000 a 10.000 millones de años.

Estas limitaciones dejaban abierta la cuestión de la distribución de la materia oscura entre esta época y hace 13.700 millones de años, alrededor del comienzo de nuestro universo.

Los investigadores de este estudio sortean este problema utilizando los datos de las observaciones de la Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). Pudieron detectar 1,5 millones de galaxias lente con luz visible, seleccionadas para ser vistas hace 12.000 millones de años.

A continuación, utilizaron las microondas del fondo cósmico de microondas (CMB) para solucionar la falta de luz de las galaxias más lejanas. En especial, utilizaron las microondas observadas por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea para cuantificar la materia oscura que rodea a las galaxias objetivo distorsionada por las microondas.

El profesor Masami Ouchi, de la Universidad de Tokio, dijo: "¿Mirar la materia oscura alrededor de las galaxias lejanas? Era una idea descabellada. Nadie se dio cuenta de que podíamos hacerlo. Pero después de que hablara de una gran muestra de galaxias lejanas, Hironao vino a verme y me dijo que podría ser posible observar la materia oscura alrededor de estas galaxias con el CMB".

El profesor adjunto Yuichi Harikane, del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio, dijo: "La mayoría de los investigadores utilizan galaxias fuente para medir la distribución de la materia oscura desde el presente hasta hace ocho mil millones de años. Sin embargo, nosotros pudimos mirar más lejos en el pasado porque utilizamos el CMB más lejano para medir la materia oscura. Por primera vez, medimos la materia oscura desde casi los primeros momentos del universo".

Tras un análisis preliminar, los investigadores pronto se dieron cuenta de que tenían una muestra lo suficientemente grande como para detectar la distribución de la materia oscura. Combinando la gran muestra de galaxias lejanas y las distorsiones de las lentes en el CMB, detectaron la materia oscura incluso más atrás en el tiempo, desde hace 12.000 millones de años. Esto es sólo 1.700 millones de años después del comienzo del universo; por lo tanto, estas galaxias se ven poco después de su formación.

El profesor asistente designado por el KMI, Hironao Miyatake, declaró: "Me alegra que hayamos abierto una nueva ventana a esa época. Hace 12.000 millones de años, las cosas eran muy diferentes. Se veían más galaxias en proceso de formación que en la actualidad; también empezaban a formarse los primeros cúmulos de galaxias. Los cúmulos de galaxias comprenden entre 100 y 1000 galaxias unidas por la gravedad con grandes cantidades de materia oscura".

Neta Bahcall, catedrática de astronomía Eugene Higgins, profesora de ciencias astrofísicas y directora de estudios universitarios en la Universidad de Princeton, dijo: "Este resultado ofrece una imagen muy coherente de las galaxias y su evolución, así como de la materia oscura que hay en las galaxias y alrededor de ellas, y de cómo esta imagen evoluciona con el tiempo."

Uno de los hallazgos más interesantes de los investigadores está relacionado con la aglomeración de la materia oscura. Según la teoría estándar de la cosmología, el modelo Lambda-CDM, las fluctuaciones sutiles en el CMB forman grupos de materia densamente empaquetada al atraer la materia circundante a través de la gravedad. Esto crea cúmulos no homogéneos que forman estrellas y galaxias en estas densas regiones. Los hallazgos del grupo sugieren que su medición de la aglomeración fue inferior a la predicha por el modelo Lambda-CDM.

Miyatake dijo: "Nuestro hallazgo es todavía incierto. Pero si es cierto, sugeriría que todo el modelo es defectuoso a medida que se retrocede en el tiempo. Esto es emocionante porque si el resultado se mantiene después de reducir las incertidumbres, podría sugerir una mejora del modelo que podría proporcionar una visión de la naturaleza de la propia materia oscura."

Andrés Plazas Malagón, investigador asociado de la Universidad de Princeton, dijo: "En este momento, intentaremos obtener mejores datos para ver si el modelo Lambda-CDM puede explicar nuestras observaciones en el universo. Y la consecuencia puede ser que tengamos que revisar las suposiciones que se hicieron en este modelo".

Michael Strauss, profesor y director del Departamento de Ciencias Astrofísicas de la Universidad de Princeton, declaró: "Uno de los puntos fuertes de observar el universo mediante sondeos a gran escala, como los utilizados en esta investigación, es que se puede estudiar todo lo que se ve en las imágenes resultantes, desde los asteroides cercanos de nuestro sistema solar hasta las galaxias más lejanas del universo primitivo. Se pueden utilizar los mismos datos para explorar muchas cuestiones nuevas".

Fuentes, créditos y referencias:

Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. First Identification of a CMB Lensing Signal Produced by 1.5 Million Galaxies at z∼4: Constraints on Matter Density Fluctuations at High Redshift. Phys. Rev. Lett. 129, 061301 – Published 1 August 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061301

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