El mapa 3D de galàxies més precís avala el model cosmològic estàndard

Secció del mapa de l’estructura a gran escala de l’Univers obtingut pel programa BOSS del consorci Sloan Digital Sky Survey III. Cada punt de la imatge indica la posició d’una galàxia la llum de la qual va ser emesa fa 6.000 milions d’anys. Cada color indica la distància a la Terra, en un rang que va des del groc per a les més properes fins al violeta per a les més llunyanes. La distribució de les galàxies forma cúmuls, filaments i buits que constitueixen el que es coneix com a xarxa còsmica. Crèdit de la imatge: Daniel Eisenstein / SDSS-III.
Secció del mapa de l’estructura a gran escala de l’Univers obtingut pel programa BOSS del consorci Sloan Digital Sky Survey III. Cada punt de la imatge indica la posició d’una galàxia la llum de la qual va ser emesa fa 6.000 milions d’anys. Cada color indica la distància a la Terra, en un rang que va des del groc per a les més properes fins al violeta per a les més llunyanes. La distribució de les galàxies forma cúmuls, filaments i buits que constitueixen el que es coneix com a xarxa còsmica. Crèdit de la imatge: Daniel Eisenstein / SDSS-III.
Recerca
(14/07/2016)

Un equip dʼinvestigadors de la col•laboració Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) ha presentat aquesta setmana els últims resultats obtinguts a partir del mapa de galàxies que ha elaborat aquest consorci amb dades recopilades els set últims anys. Lʼanàlisi de les dades lʼhan dut a terme els investigadors del consorci, entre els quals hi ha un equip de lʼInstitut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB, IEEC-UB).

Secció del mapa de l’estructura a gran escala de l’Univers obtingut pel programa BOSS del consorci Sloan Digital Sky Survey III. Cada punt de la imatge indica la posició d’una galàxia la llum de la qual va ser emesa fa 6.000 milions d’anys. Cada color indica la distància a la Terra, en un rang que va des del groc per a les més properes fins al violeta per a les més llunyanes. La distribució de les galàxies forma cúmuls, filaments i buits que constitueixen el que es coneix com a xarxa còsmica. Crèdit de la imatge: Daniel Eisenstein / SDSS-III.
Secció del mapa de l’estructura a gran escala de l’Univers obtingut pel programa BOSS del consorci Sloan Digital Sky Survey III. Cada punt de la imatge indica la posició d’una galàxia la llum de la qual va ser emesa fa 6.000 milions d’anys. Cada color indica la distància a la Terra, en un rang que va des del groc per a les més properes fins al violeta per a les més llunyanes. La distribució de les galàxies forma cúmuls, filaments i buits que constitueixen el que es coneix com a xarxa còsmica. Crèdit de la imatge: Daniel Eisenstein / SDSS-III.
Recerca
14/07/2016

Un equip dʼinvestigadors de la col•laboració Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) ha presentat aquesta setmana els últims resultats obtinguts a partir del mapa de galàxies que ha elaborat aquest consorci amb dades recopilades els set últims anys. Lʼanàlisi de les dades lʼhan dut a terme els investigadors del consorci, entre els quals hi ha un equip de lʼInstitut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB, IEEC-UB).

Els resultats presentats són fruit del treball del grup de galàxies del Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), un dels programes de SDSS-III, i recullen les mesures dʼ1,2 milions de galàxies de més dʼuna quarta part del cel per crear un mapa 3D de lʼestructura de lʼUnivers.

El repte de BOSS ha estat combinar mesures precises de com sʼagrupen les galàxies en lʼestructura a gran escala de lʼUnivers —el que es coneix com a xarxa còsmica— amb un modelatge minuciós que ha fet servir simulacions cosmològiques. Això ha permès abastar un volum de lʼUnivers observable equivalent a un cub de 8.500 milions dʼanys llum de costat.

Els resultats sʼhan presentat en un article principal i dotze articles de suport publicats en el repositori digital ArXiv i enviats a la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Entre els setanta signants de lʼarticle principal hi ha Licia Verde, investigadora ICREA de lʼICCUB (IEEC-UB), i Antonio Costa, del mateix institut, tots dos membres de lʼInstitut dʼEstudis Espacials de Catalunya (IEEC), a més dʼinvestigadors de lʼInstitut dʼAstrofísica de les Canàries (IAC) i de lʼInstitut de Física Teòrica (UAM-CSIC).

Una de les conseqüències principals dels resultats de BOSS és que restringeixen de manera molt precisa la història de lʼexpansió de lʼUnivers, la qual cosa posa límits molt restrictius als models teòrics dʼenergia fosca alternatius a la constant cosmològica introduïda per Einstein. «De fet, es veu com els resultats de BOSS són compatibles amb el model cosmològic dʼun univers pla, dominat per una constant cosmològica i amb matèria fosca freda, que correspon al model cosmològic estàndard desenvolupat els darrers vint anys», explica Licia Verde.
 

Lʼescala de lʼUnivers

Per aconseguir obtenir aquest mapa de la xarxa còsmica, BOSS ha estat capaç dʼestablir una mesura de la distància de les galàxies i els quàsars a escales cosmològiques, i ha precisat la relació entre la distància dʼaquests objectes i lʼexpansió de lʼUnivers. La llum de les galàxies observades va ser emesa fa entre 2.000 i 7.000 milions dʼanys, període que cobreix aproximadament la meitat de la història de lʼexpansió de lʼUnivers, lʼedat del qual sʼestima en uns 13.800 milions dʼanys.

Les dades obtingudes tracen el balanç entre gravetat i expansió de lʼUnivers durant la fase dʼexpansió accelerada. Així, el mapa presentat per BOSS permet als astrònoms mesurar la taxa dʼexpansió de lʼUnivers i determinar dʼaquesta manera la quantitat de matèria i energia fosca que formen lʼUnivers actual.

Per dur a terme aquest mapa, BOSS ha utilitzat una tècnica basada en la mesura de les anomenades oscil·lacions acústiques de barions (BAO), unes ones acústiques també anomenades de pressió que es propagaven per lʼUnivers primitiu a través de la matèria i que han deixat una empremta en les petites variacions de densitat que existien a lʼinici del cosmos. Aquestes ones tenen una longitud coneguda que és la que permet mesurar distàncies i deduir així el ritme dʼexpansió de lʼUnivers en el passat.

«El mètode de les oscil·lacions acústiques de barions utilitzat per BOSS ha quedat establert com un dels pilars imprescindibles de la cosmologia moderna per entendre la història de lʼexpansió de lʼUnivers i lʼenergia fosca», afirma Licia Verde.

La base fonamental dʼaquesta tècnica és que les galàxies estan separades entre elles per una distància característica que els astrònoms denominen escala BAO. La mesura primordial de lʼescala BAO ha estat determinada perfectament gràcies a les observacions del fons còsmic de microones, realitzades pel satèl·lit Planck, que fa la mesura dʼaquesta escala BAO en 481 milions dʼanys llum.

BOSS: construint la xarxa còsmica
 

Un altre dels èxits principals de lʼarticle publicat a ArXiv ha estat calcular les implicacions que tenen les dades de BOSS en combinar-les amb les mesures del fons còsmic de microones del satèl·lit Planck. A partir dʼaquesta combinació de dades, els investigadors han analitzat possibles desviacions respecte al model cosmològic estàndard pel que fa a la curvatura de lʼUnivers, lʼenergia fosca o la força de la gravetat, i en aquest cas el resultat ha estat negatiu, fet que reforça el model cosmològic estàndard.


Les galàxies analitzades per BOSS arriben a una distància dʼunes 20 escales BAO, mentre que lʼUnivers observable té el seu horitzó en 100 escales BAO, de manera que les missions futures, actualment en fase de construcció, seguiran buscant aquestes modificacions a distàncies més grans a les quals ha arribat BOSS.
 

«Però lʼimpressionant de lʼexperiment BOSS és que hem pogut mesurar distàncies cosmològiques amb una precisió de lʼ1 %. És a dir, si totes les galàxies que hem observat les poguéssim ficar en un cub de 20 metres de costat, fixant-nos només en les parelles de galàxies separades entre si per 1 metre, hem aconseguit mesurar les distàncies entre elles amb una precisió de centímetres», apunta Antonio Costa. Dʼaltra banda, «gràcies a aquesta combinació de dades, hem fet un salt en la qualitat dels nostres mesuraments dels paràmetres cosmològics, i hem establert una base ferma per buscar futures modificacions del model cosmològic estàndard», conclou lʼinvestigador de lʼICCUB (IEEC-UB).

 

Els investigadors de la Universitat de Barcelona han liderat el càlcul de les funcions de correlació entre les galàxies de BOSS i els catàlegs artificials que simulen les dades observades. Aquesta funció de correlació és precisament la que determina el nombre de parelles de galàxies separades per una certa distància.

Més informació a la nota de premsa de la col•laboració Sloan en aquest enllaç

Referència de lʼarticle principal:

Alam, S., et al. (BOSS Collaboration). «The clustering of galaxies in the completed SDSS-III Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: cosmological analysis of the DR12 galaxy sample». ArXiv, juliol de 2016.

 

Sobre lʼInstitut de Ciències del Cosmos de la UB


LʼInstitut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) és un centre de recerca propi de la Universitat de Barcelona creat el 2006 i reconegut amb lʼacreditació dʼexcel·lència Maria de Maeztu. LʼICCUB està dedicat a la recerca fonamental en el camp de la cosmologia, així com a les aplicacions tecnològiques de les ciències del cosmos en general. Agrupa bona part del professorat i els investigadors del Departament de Física Quàntica i Astrofísica de la Facultat de Física, i més de deu investigadors ICREA i personal investigador dʼaltres departaments. És també una de les quatre unitats que constitueixen lʼInstitut dʼEstudis Espacials de Catalunya (IEEC).


LʼICCUB té un paper destacat en projectes internacionals, com la missió espacial Gaia de lʼAgència Espacial Europea, lʼexperiment LHCb del gran col•lisionador dʼhadrons (LHC, ubicat al CERN), la col·laboració internacional Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III) o els projectes amb els telescopis de raigs gamma Magic i CTA.