Astrofísics omplen un buit d’11.000 milions d’anys de l’expansió de l’Univers
L’anàlisi d’aquet mapa de la galàxia ha permès mesurar el ritme d’expansió de l’Univers i el creixement de la seva estructura fa 6.500 milions d’anys
Un investigador de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències del Cosmos (ICCUB) i altres dos científics espanyols han jugat un paper important a aquests resultats
L’Sloan Digital Sky Survey (SDSS) publica avui una anàlisi exhaustiva del major mapa tridimensional de l’Univers mai creat, que omple els buits més significatius en la nostra exploració de la història del cosmos.
El nostre coneixement sobre l’Univers inclou tant la seva història antiga com la història recent de la seva expansió, però entre els dos períodes existien buits en un lapse corresponent a 11.000 milions d’anys. Durant cinc anys, científics de l’SDSS han treballat per conèixer què va passar durant aquest període, i han utilitzat aquesta informació per aconseguir un dels avenços més importants en cosmologia de l’última dècada.
Els nous resultats són fruit d’un dels programes de l’SDSS, la col·laboració internacional Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), en què participen més de cent astrofísics. Tres investigadors espanyols han tingut un paper rellevant en l’anàlisi presentada avui: Héctor Gil Marín, investigador de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) a l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB); Andreu Font Ribera, de l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), i Santiago Ávila, de l’Instituto de Física Teórica (IFT, UAM-CSIC). En el nucli dels nous resultats hi ha les mesures detallades de més de dos milions de galàxies i quàsars, que cobreixen 11.000 milions d’anys de temps còsmic.
Gràcies a l’estudi de la radiació del fons còsmic de microones (CMB, per les sigles en anglès), i a les mesures de les quantitats relatives dels elements creats poc després del Big Bang, sabem com era l’Univers en la seva «infància». Coneixem també la història de l’expansió de l’Univers al llarg dels últims mil milions d’anys, a partir dels mapes de galàxies i de les mesures de les distàncies entre elles, incloent-hi les que s’havien fet en fases anteriors de l’SDSS.
«L’anàlisi de la col·laboració eBOSS i els experiments previs de l’SDSS mostren la història de l’expansió de l’Univers al llarg del major període de temps estudiat fins ara», assenyala Héctor Gil Marín, Junior Leader La Caixa Fellow de l’ICCUB. Aquest investigador ha liderat l’anàlisi d’aquests mapes de galàxies, mesurant el ritme d’expansió i el creixement de les estructures de l’Univers de fa 6.500 milions d’anys. Aquestes mesures ajuden a unir la física primerenca amb la tardana, fet que permet generar una imatge completa de l’expansió de l’Univers al llarg del temps.
El mapa de l’SDSS obtingut —que es presenta a continuació— es mostra com un arc de Sant Martí de colors, ubicat dins l’Univers observable (l’esfera exterior, que mostra les fluctuacions en el fons còsmic de microones). Nosaltres estem situats al centre d’aquest mapa. El requadre per a cada secció de mapa codificada per colors inclou la imatge d’una galàxia o quàsar típic d’aquesta secció, i també el senyal del patró que l’equip d’eBOSS mesura allà. En mirar a la llunyania, mirem cap enrere en el temps. Per tant, la ubicació d’aquests senyals revela la taxa d’expansió de l’Univers en diferents moments de la història còsmica. Fent servir aquest mapa, els investigadors busquen patrons en la distribució de les galàxies, els quals proporcionen informació sobre diversos paràmetres clau de l’Univers, que eBOSS ha estat capaç de mesurar amb una precisió superior a l’u per cent.
PR_Image2: Mapa SDSS
Caption: El mapa de l’SDSS es mostra com un arc de Sant Martí de colors, ubicat dins l’Univers observable. Nosaltres estem situats al centre d’aquest mapa. El requadre per a cada secció de mapa codificada per colors inclou la imatge d’una galàxia o quàsar típic d’aquesta secció i també el senyal del patró que l’equip d’eBOSS mesura allà. La ubicació d’aquests senyals revela la taxa d’expansió de l’Univers en diferents moments de la història còsmica.
Credit: Anand Raichoor (EPFL), Ashley Ross (Ohio State University) and SDSS.
Aquest mapa és el resultat de més de vint anys d’esforços per cartografiar l’Univers mitjançant el telescopi de la Fundació Alfred P. Sloan. La història còsmica que revela mostra que l’expansió de l’Univers es va començar a accelerar fa uns 6.000 milions d’anys, i que ha seguit en augment des de llavors. Aquesta expansió accelerada sembla que és deguda a un misteriós component invisible de l’Univers, anomenat energia fosca, que és consistent amb la teoria general de la relativitat d’Einstein, però extremadament difícil de conciliar amb el nostre coneixement actual de la física de partícules.
Combinant les observacions fetes per eBOSS amb els estudis sobre l’etapa més primerenca de l’Univers, els investigadors han obtingut una imatge amb algunes incompatibilitats. El mesurament del ritme actual d’expansió de l’Univers (conegut com a constant de Hubble) és aproximadament un 10 % inferior al valor trobat quan es mesura el ritme d’expansió utilitzant la distància a galàxies properes.
«L’alta precisió de les dades fa molt improbable que aquest desajust sigui degut a l’atzar», apunta Andreu Font Ribera, investigador de l’IFAE a Barcelona, que ha liderat la interpretació dels resultats. «La gran varietat de dades d’eBOSS fa que s’arribi a aquesta mateixa conclusió de diverses maneres independents», explica.
Segons els investigadors, «no hi ha cap explicació àmpliament acceptada per a aquesta discrepància en les mesures de les taxes d’expansió, però una possibilitat emocionant és que una forma prèviament desconeguda de matèria o energia de l’Univers primerenc hagués deixat una empremta en l’expansió que observem en l’actualitat».
Tots aquests resultats han vist la llum avui amb la publicació de més de vint articles científics a ArXiv, documents que descriuen, al llarg de més de cinc-centes pàgines, les anàlisis de les últimes dades d’eBOSS. Amb aquesta fita es compleixen els objectius clau de l’estudi.
Els diferents grups de l’equip eBOSS, situats en universitats de tot el món, s’han centrat en diferents aspectes de l’anàlisi. Els investigadors han utilitzat galàxies vermelles i massives per obtenir la part del mapa datada fa 6.000 milions d’anys. Per a distàncies més llunyanes, han fet servir galàxies blaves més joves. Finalment, s’han utilitzat quàsars —galàxies brillants que s’il·luminen com a conseqüència de la matèria absorbida per un forat negre supermassiu situat en el seu nucli— per obtenir el mapa de l’Univers de fa 11.000 milions d’anys i temps anteriors.
«Hem mesurat les propietats estadístiques d’aquests mapes de galàxies i hem deduït la taxa a la qual s’expandeix l’Univers al llarg del temps», explica Santiago Ávila, investigador de l’IFT, que ha desenvolupat nous mètodes per simular per ordinador mapes de galàxies com els que s’observen en aquest estudi. Ávila afegeix: «En combinació amb dades addicionals del fons còsmic de microones i observacions de supernoves, hem deduït que la curvatura geomètrica de l’Univers és, de fet, plana, i també hem mesurat la taxa d’expansió local amb una precisió superior a l’u per cent».
Seguint el camí de l’SDSS, ja s’està treballant en la següent generació de telescopis que rellevaran eBOSS. Es començarà a finals d’any amb el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), que observarà deu vegades més galàxies i quàsars que eBOSS gràcies a un nou instrument localitzat a l’Observatori Nacional de Kitt Peak (Arizona, Estats Units). Al mateix temps, l’Agència Espacial Europea planeja per al 2022 el llançament del satèl·lit Euclid, equipat amb un telescopi únic que proporcionarà una visió complementària de l’Univers. Aquests instruments, tots dos amb participació espanyola, aportaran dades amb una precisió mai vista fins ara, fet que ens permetrà resoldre l’enigma de l’energia fosca i la discordança entre el ritme d’expansió de l’Univers local i el primitiu. O potser, revelaran més sorpreses.
Enllaç a resultats
- Descripció del projecte
- Resum de les dades SDSS/eBOSS
- Resultats de la interpretació cosmològica de les mesures d’eBOSS
Agraïments:
Els fons per a l’Sloan Digital Sky Survey IV han estat sufragats per la Fundació Alfred P. Sloan, l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia dels Estats Units i les institucions participants. L’SDSS reconeix el suport i els recursos de el Centre de Computació d’Alt Rendiment de la Universitat de Utah. El lloc web de l’SDSS és www.sdss.org.
L’SDSS és administrat pel Consorci d’Investigació Astrofísica per a les Institucions Participants de la Col·laboració SDSS, que inclou el Grup de Participació del Brasil, la Institució Carnegie per a la Ciència, la Universitat Carnegie Mellon, el Grup de Participació de Xile, el Grup de Participació de França, el Centre d’Astrofísica Harvard-Smithsonian, l’Institut d’Astrofísica de les Canàries, la Universitat Johns Hopkins, el Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (IPMU) / Universitat de Tòquio, el Grup de Participació de Corea, el Laboratori Nacional Lawrence Berkeley, l’Institut Leibniz d’Astrofísica de Potsdam (AIP), l’Institut Max Planck d’Astronomia (MPIA Heidelberg), l’Institut Max Planck d’Astrofísica (MPA Garching), l’Institut Max Planck de Física (MPE), els Observatoris Astronòmics Nacionals de la Xina, la Universitat Estatal de Nou Mèxic, la Universitat de Nova York, la Universitat de Notre Dame, l’Observatori Nacional del Brasil / MCTI, la Universitat Estatal d’Ohio, la Universitat Estatal de Pennsilvània, l’Observatori Astronòmic de Xangai, el Grup de Participació del Regne Unit, la Universitat Nacional Autònoma de Mèxic, la Universitat d’Arizona, la Universitat de Colorado Boulder, la Universitat d’Oxford, la Universitat de Portsmouth, la Universitat de Utah, la Universitat de Virgínia, la Universitat de Washington, la Universitat de Wisconsin, la Universitat Vanderbilt i la Universitat de Yale.
Enllaços
Més informació
L’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) promou i coordina la recerca i el desenvolupament tecnològic espacial a Catalunya en benefici de la societat. L’IEEC fomenta les col·laboracions tant a nivell local com mundial, i és un eficient agent de transferència de coneixement, innovació i tecnologia. Com a resultat de més de 20 anys de recerca d’alta qualitat, duta a terme en col·laboració amb les principals organitzacions internacionals, l’IEEC es troba entre els millors centres d’investigació internacionals centrats en àrees com: l’astrofísica, la cosmologia, les ciències planetàries i l’observació de la Terra. La divisió d’enginyeria de l’IEEC desenvolupa instrumentació per a projectes terrestres i espacials, i té una àmplia experiència treballant amb organitzacions privades i públiques del sector aeroespacial així com altres sectors d’innovació.
L’IEEC és una fundació privada sense ànim de lucre regida per un Patronat compost per la Generalitat de Catalunya i unes altres quatre institucions amb una unitat científica cadascuna, que en conjunt constitueixen el nucli de l’activitat d’I+D de l’IEEC: la Universitat de Barcelona (UB) amb la unitat científica ICCUB – Institut de Ciències del Cosmos; la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) amb la unitat científica CERES – Centre d’Estudis i Recerca Espacials; la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) amb la unitat científica CTE – Grup de Recerca en Ciències i Tecnologies de l’Espai; i el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) amb la unitat científica ICE – Institut de Ciències de l’Espai. L’IEEC està integrat en la xarxa CERCA (Centres de Recerca de Catalunya).
Imatges
PR_Image1: Telescopi SDSS
Caption: Telescopi del SDSS. El Sloan Digital Sky Survey (SDSS) és un projecte gegant dedicat a mapejar tant com sigui possible de l’Univers visible des de la Terra usant aquest telescopi òptic de 2.5 metres.
Credit: David Kirkby and SDSS
Contactes
Oficina de Comunicació de l’IEEC
Barcelona, Espanya
Ana Montaner Pizà
Correu electrònic: comunicacio@ieec.cat
Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB)
Barcelona, Espanya
Héctor Gil Marin
Correu electrònic: hectorgil@icc.ub.edu