Las sombras en el resplandor del Big Bang revelan estructuras cósmicas invisibles

Casi 400,000 años después del Big Bang, el plasma primordial del universo infantil se enfrió lo suficiente como para que los primeros átomos se fusionaran, dejando espacio para que la radiación incrustada se elevara libremente. Esa luz, el fondo cósmico de microondas (CMB), continúa fluyendo a través del cielo en todas direcciones, transmitiendo una instantánea del universo primitivo que es captada por telescopios dedicados e incluso revelada en la estática en viejos televisores de rayos catódicos.

Después de que los científicos descubrieran la radiación CMB en 1965, mapearon meticulosamente sus pequeñas variaciones de temperatura, que mostraron el estado exacto del cosmos cuando era un mero plasma espumoso. Ahora están reutilizando los datos de CMB para catalogar las estructuras a gran escala que se desarrollaron durante miles de millones de años a medida que el universo maduraba.

“Esa luz experimentó gran parte de la historia del universo, y al ver cómo ha cambiado, podemos aprender sobre diferentes épocas”, dijo. kimmy wu, cosmólogo del Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC.

En el transcurso de su viaje de casi 14 mil millones de años, la luz del CMB ha sido estirada, comprimida y deformada por toda la materia que se interpuso en su camino. Los cosmólogos están comenzando a mirar más allá de las fluctuaciones primarias en la luz CMB hacia las huellas secundarias dejadas por las interacciones con las galaxias y otras estructuras cósmicas. A partir de estas señales, están obteniendo una visión más nítida de la distribución tanto de la materia ordinaria, todo lo que está compuesto por partes atómicas, como de la misteriosa materia oscura. A su vez, esas ideas están ayudando a resolver algunos misterios cosmológicos de larga data y plantean algunos nuevos.

“Nos estamos dando cuenta de que el CMB no solo nos informa sobre las condiciones iniciales del universo. También nos habla de las propias galaxias”, dijo emmanuel schaan, también cosmólogo en SLAC. “Y eso resulta ser realmente poderoso”.

Un universo de sombras

Los estudios ópticos estándar, que rastrean la luz emitida por las estrellas, pasan por alto la mayor parte de la masa subyacente de las galaxias. Esto se debe a que la gran mayoría del contenido total de materia del universo es invisible para los telescopios, escondido fuera de la vista, ya sea como cúmulos de materia oscura o como el gas ionizado difuso que une las galaxias. Pero tanto la materia oscura como el gas esparcido dejan huellas detectables en el aumento y el color de la luz CMB entrante.

“El universo es realmente un teatro de sombras en el que las galaxias son las protagonistas y el CMB es la luz de fondo”, dijo Schaan.

Muchos de los jugadores en la sombra ahora están tomando el relevo.

Cuando las partículas de luz, o fotones, del CMB dispersan los electrones en el gas entre las galaxias, se elevan a energías más altas. Además, si esas galaxias están en movimiento con respecto al universo en expansión, los fotones CMB obtienen un segundo cambio de energía, ya sea hacia arriba o hacia abajo, según el movimiento relativo del cúmulo.

Este par de efectos, conocidos respectivamente como efectos térmico y cinemático Sunyaev-Zel'dovich (SZ), fueron primero teorizado a fines de la década de 1960 y se han detectado con mayor precisión en la última década. Juntos, los efectos SZ dejan una firma característica que se puede extraer de las imágenes CMB, lo que permite a los científicos mapear la ubicación y la temperatura de toda la materia ordinaria del universo.

Finalmente, un tercer efecto conocido como lente gravitacional débil deforma la trayectoria de la luz CMB cuando viaja cerca de objetos masivos, distorsionando la CMB como si se viera a través de la base de una copa de vino. A diferencia de los efectos SZ, la lente es sensible a toda la materia, oscura o no.

En conjunto, estos efectos permiten a los cosmólogos separar la materia ordinaria de la materia oscura. Luego, los científicos pueden superponer estos mapas con imágenes de estudios de galaxias para medir distancias cósmicas e incluso rastro de formación estelar.

In compañero papeles en 2021, un equipo dirigido por Schaan y Estefanía Amodeo, que ahora se encuentra en el Observatorio Astronómico de Estrasburgo en Francia, puso este enfoque a trabajar. Examinaron datos CMB tomados por la Agencia Espacial Europea Satélite Planck y el basado en tierra Telescopio de Cosmología de Atacama, luego apiló encima de esos mapas un estudio óptico adicional de casi 500,000 galaxias. La técnica les permitió medir la alineación de la materia ordinaria y la materia oscura.

El análisis mostró que el gas de la región no abrazaba su red de materia oscura de apoyo con tanta fuerza como predijeron muchos modelos. En cambio, sugiere que las explosiones de las supernovas y la acumulación de agujeros negros supermasivos obligaron al gas a alejarse de sus nodos de materia oscura, extendiéndolo de manera que era demasiado delgado y frío para que lo detectaran los telescopios convencionales.

Detectar ese gas difuso en las sombras de CMB ha ayudado a los científicos a abordar aún más el llamado problema de los bariones faltantes. También proporcionó estimaciones de la fuerza y ​​la temperatura de las explosiones que se dispersan, datos que los científicos están utilizando ahora para refinar sus modelos de evolución de galaxias y la estructura a gran escala del universo.

En los últimos años, los cosmólogos se han sentido desconcertados por el hecho de que la distribución observada de la materia en el universo moderno es más suave de lo que predice la teoría. Si las explosiones que reciclan el gas intergaláctico son más enérgicas de lo que suponían los científicos, como el reciente trabajo de Schaan, Amodeo y otros parece sugerir que estas explosiones podrían ser parcialmente responsables de haber esparcido la materia de manera más uniforme en todo el universo, dijo colin colina, un cosmólogo de la Universidad de Columbia que también trabaja en firmas CMB. En los próximos meses, Hill y sus colegas del Telescopio de Cosmología de Atacama planean revelar un mapa actualizado de sombras CMB con un salto notable tanto en la cobertura del cielo como en la sensibilidad.

“Solo hemos comenzado a arañar la superficie de lo que puede hacer con este mapa”, dijo Hill. “Es una mejora sensacional con respecto a cualquier cosa anterior. Es difícil creer que es real”.

Sombras de lo desconocido

El CMB fue una pieza clave de evidencia que ayudó a establecer el modelo estándar de cosmología, el marco central que los investigadores usan para comprender el origen, la composición y la forma del universo. Pero los estudios de retroiluminación de CMB ahora amenazan con hacer agujeros en esa historia.

“Este paradigma realmente sobrevivió a la prueba de las mediciones de precisión, hasta hace poco”, dijo Eiichiro Komatsu, un cosmólogo del Instituto Max Planck de Astrofísica que trabajó para establecer la teoría como miembro de la Sonda de Anisotropía de Microondas de Wilkinson, que cartografió el CMB entre 2001 y 2010. “Podemos estar en la encrucijada… de un nuevo modelo del universo .”

Durante los últimos dos años, Komatsu y sus colegas han estado investigando indicios de un nuevo personaje en el escenario del teatro de sombras. La señal aparece en la polarización, u orientación, de las ondas de luz CMB, que según el modelo estándar de cosmología deberían permanecer constantes en el viaje de las ondas a través del universo. Pero como teorizado hace tres décadas por Sean Carroll y sus colegas, esa polarización podría ser rotada por un campo de materia oscura, energía oscura o alguna partícula totalmente nueva. Tal campo haría que los fotones de diferentes polarizaciones viajaran a diferentes velocidades y rotaran la polarización neta de la luz, una propiedad conocida como "birrefringencia" que comparten ciertos cristales, como los que habilitan las pantallas LCD. En 2020, el equipo de Komatsu hallazgo reportado una pequeña rotación en la polarización del CMB: alrededor de 0.35 grados. Un estudio de seguimiento publicado el año pasado reforzó ese resultado anterior.

Si el estudio de polarización o otro resultado relacionado con la distribución de las galaxias se confirma, implicaría que el universo no se ve igual en todas las direcciones para todos los observadores. Para Hill y muchos otros, ambos resultados son tentadores pero aún no definitivos. Se están realizando estudios de seguimiento para investigar estos indicios y descartar posibles efectos de confusión. Algunos incluso han propuesto un dedicado nave espacial "astronomía retroiluminada" eso inspeccionaría más a fondo las diversas sombras.

“Hace cinco o diez años, la gente pensaba que la cosmología estaba hecha”, dijo Komatsu. “Eso está cambiando ahora. Estamos entrando en una nueva era”.