Nuevos rayos X revelan un universo tan grumoso como predice la cosmología | Revista Quanta

Cúmulos de cientos o miles de galaxias se encuentran en las intersecciones de filamentos de materia gigantes y entrecruzados que forman el tapiz del cosmos. A medida que la gravedad atrae todo lo que hay en cada cúmulo de galaxias hacia su centro, el gas que llena el espacio entre las galaxias se comprime, lo que hace que se caliente y brille en rayos X.

El telescopio de rayos X eRosita, lanzado al espacio en 2019, pasó más de dos años recopilando rayos de luz de alta energía de todo el cielo. Los datos han permitido a los científicos mapear las ubicaciones y tamaños de miles de cúmulos de galaxias, dos tercios de ellos desconocidos hasta ahora. En un montón de papeles publicado en línea el 14 de febrero que aparecerá en la revista Astronomía y Astrofísica, los científicos utilizaron su catálogo inicial de cúmulos para opinar sobre varias de las grandes cuestiones de la cosmología.

Los resultados incluyen nuevas estimaciones de la aglomeración del cosmos. una característica muy discutida últimamente, como otras mediciones recientes han encontrado que es inesperadamente suave, y de las masas de partículas fantasmales llamadas neutrinos y de una propiedad clave de la energía oscura, la misteriosa energía repulsiva que está acelerando la expansión del universo.

El modelo reinante del universo de los cosmólogos identifica la energía oscura como la energía del espacio mismo y la vincula al 70% del contenido del universo. Otra cuarta parte del universo es materia oscura invisible y el 5% es materia ordinaria y radiación. Todo ello evoluciona bajo la fuerza de la gravedad. Pero algunas observaciones de la última década desafían este “modelo estándar” de cosmología, planteando la posibilidad de que al modelo le falten ingredientes o efectos que podrían dar paso a una comprensión más profunda.

Las observaciones de eRosita, por el contrario, refuerzan el panorama existente en todos los aspectos. "Es una confirmación notable del modelo estándar", dijo Dragan Huterer, cosmóloga de la Universidad de Michigan que no participó en el trabajo.

Rayos X del cosmos

Después del Big Bang, las sutiles variaciones de densidad en el universo recién nacido se volvieron gradualmente más pronunciadas a medida que las partículas de materia se pegaban unas a otras. Los grupos más densos atrajeron más material y se hicieron más grandes. Hoy en día, los cúmulos de galaxias son las estructuras unidas gravitacionalmente más grandes del cosmos. Determinar sus tamaños y distribución permite a los cosmólogos probar su modelo de cómo evolucionó el universo.

Para encontrar grupos, el equipo de eRosita entrenó un algoritmo informático para buscar fuentes de rayos X "realmente esponjosas" en lugar de objetos puntiagudos, dijo Esra Bulbul del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Garching, Alemania, quien dirigió las observaciones de cúmulos de eRosita. Redujeron una lista de candidatos a una “muestra extremadamente pura”, dijo, de 5,259 cúmulos de galaxias, de casi 1 millón de fuentes de rayos X detectadas por el telescopio.

Luego tuvieron que determinar qué tan pesados ​​son estos grupos. Los objetos masivos doblan la estructura del espacio-tiempo, cambiando la dirección de la luz que pasa y haciendo que la fuente de luz parezca distorsionada, un fenómeno llamado lente gravitacional. Los científicos de eRosita pudieron calcular las masas de algunos de sus 5,259 cúmulos basándose en la lente de galaxias más distantes situadas detrás de ellos. Aunque sólo un tercio de sus cúmulos tenían galaxias de fondo conocidas y alineadas de esta manera, los científicos descubrieron que la masa del cúmulo se correlacionaba fuertemente con el brillo de sus rayos X. Debido a esta fuerte correlación, podrían utilizar el brillo para estimar las masas de los cúmulos restantes.

Luego introdujeron la información de masa en simulaciones por computadora del cosmos en evolución para inferir los valores de los parámetros cósmicos.

Medir la grumosidad

Un número de interés es el "factor de aglomeración" del universo, S₈. Un S₈ Un valor de cero representaría una vasta nada cósmica, similar a una llanura sin ninguna roca a la vista. Un S₈ un valor más cercano a 1 corresponde a montañas escarpadas que se ciernen sobre valles profundos. Los científicos han estimado S₈ basado en mediciones del fondo cósmico de microondas (CMB), una luz antigua proveniente del universo primitivo. Al extrapolar las variaciones de densidad iniciales del cosmos, los investigadores esperan que la actual S₈ valor es 0.83.

Pero estudios recientes Al observar las galaxias hoy en día se han medido valores entre un 8% y un 10% más bajos, lo que implica que el universo es inesperadamente suave. Esa discrepancia ha intrigado a los cosmólogos, señalando potencialmente grietas en el modelo cosmológico estándar.

El equipo de eRosita, sin embargo, no encontró tal discrepancia. “Nuestro resultado estuvo básicamente en línea con la predicción desde el principio del CMB”, dijo Vittorio Ghirardini, quien dirigió el análisis. Él y sus colegas calcularon una S₈ de 0.85.

Algunos miembros del equipo se sintieron decepcionados, dijo Ghirardini, ya que insinuar los ingredientes que faltaban era una perspectiva más emocionante que coincidir con la teoría conocida.

El S₈ un valor un poco más alto que la estimación del CMB probablemente generará más análisis por parte de otros equipos, dijo Gerrit Schellenberger, astrofísico que estudia los cúmulos de galaxias en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. "Creo que probablemente no sea el último artículo que hemos visto sobre ese tema".

Pesando neutrinos

En el universo primitivo se formaron abundantes neutrinos, casi tantos como fotones (partículas de luz), dijo Marilena Loverde, cosmóloga de la Universidad de Washington. Pero los físicos saben que los neutrinos, a diferencia de los fotones, debe tener masas diminutas por cómo oscilan entre tres tipos. Las partículas no adquieren masa mediante el mismo mecanismo que otras partículas elementales, por lo que su masa es un misterio muy estudiado. Y la primera pregunta es qué tan masivos son en realidad.

Los cosmólogos pueden estimar la masa de los neutrinos estudiando sus efectos sobre la estructura del cosmos. Los neutrinos giran casi a la velocidad de la luz y atraviesan otra materia en lugar de quedarse pegados a ella. De modo que su presencia en el cosmos ha atenuado su aglomeración. "Cuanto más masa se le pone a los neutrinos, más masa es suave en esas [grandes] escalas", dijo Loverde.

Combinando sus mediciones de cúmulos de galaxias con mediciones de CMB, el equipo de eRosita estimó que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos no supera los 0.11 electronvoltios (eV), o menos de una millonésima parte de la masa de un electrón. Otros experimentos con neutrinos han estableció un límite inferior, mostrando que las tres masas de neutrinos deben sumar al menos 0.06 eV (para un orden posible de los tres valores de masa) o 0.1 eV (para el orden invertido). A medida que la distancia entre los límites superior e inferior se reduce, los científicos se acercan más a determinar el valor de la masa del neutrino. "En realidad, estamos a punto de lograr un gran avance", afirmó Bulbul. En publicaciones de datos posteriores, el equipo de eRosita podría bajar el límite superior lo suficiente como para descartar los modelos de masa de neutrinos de orden invertido.

Se justifica la precaución. Cualquier otra partícula ligera y rápida que pueda existir, como axiones, las partículas hipotéticas propuestas como candidatas a la materia oscura, tendrían los mismos efectos en la formación de estructuras. E introducirían errores en la medición de la masa de neutrinos.

Seguimiento de la energía oscura

Las mediciones de los cúmulos de galaxias pueden revelar no sólo cómo crecieron las estructuras, sino también cómo su crecimiento fue impedido por la energía oscura: la fina capa de energía repulsiva que impregna el espacio, acelerando la expansión del espacio y separando así la materia.

Si la energía oscura es la energía del espacio mismo, como supone el modelo estándar de cosmología, entonces tendrá una densidad constante en todo el espacio y el tiempo (por eso a veces se la denomina constante cosmológica). Pero si su densidad disminuye con el tiempo, entonces es algo completamente distinto. "Ésa es la pregunta más importante que plantea la cosmología", dijo Sebastian Grandis, miembro del equipo eRosita de la Universidad de Innsbruck en Austria.

A partir de su mapa de miles de cúmulos, los investigadores descubrieron que la energía oscura coincide con el perfil de una constante cosmológica, aunque su medición tiene una incertidumbre del 10%, por lo que sigue siendo posible una densidad de energía oscura que varía ligeramente.

Originalmente, eRosita, que se encuentra a bordo de una nave espacial rusa, debía realizar ocho estudios del cielo completo, pero en febrero de 2022, semanas después de que el telescopio comenzara su quinto estudio, Rusia invadió Ucrania. En respuesta, la parte alemana de la colaboración, que opera y dirige eRosita, puso el telescopio en modo seguro, cesando todas las observaciones científicas.

Estos artículos iniciales se basan únicamente en los datos de los primeros seis meses. El grupo alemán espera encontrar aproximadamente cuatro veces más cúmulos de galaxias en el año y medio adicional de observaciones, lo que permitirá identificar todos estos parámetros cosmológicos con mayor precisión. "La cosmología de cúmulos podría ser la sonda cosmológica más sensible además del CMB", dijo Anja von der Linden, astrofísico de la Universidad Stony Brook.

Sus resultados iniciales demuestran el poder de una fuente de información relativamente sin explotar. "Somos una especie de chico nuevo en la cuadra", dijo Grandis.