Un mapa de materia oscura amplio y nítido sin precedentes

La distribución de la materia oscura se estima mediante la técnica de lentes gravitacionales débiles. El equipo liderado por el National Astronomical Observatory de Japón (NAOJ) y la Universidad de Tokiolocalizó las posiciones y las señales de lente de los halos de materia oscura y encontró indicios de que el número de halos podría ser inconsistente con lo que sugiere el modelo cosmológico más simple. Esta podría ser una nueva pista para entender por qué la expansión del Universo se está acelerando.

En la década de 1930, Edwin Hubble y sus colegas descubrieron la expansión del Universo. Esto fue una gran sorpresa para la mayoría de las personas que creían que el Universo se mantuvo igual durante toda la eternidad. Se requería una fórmula que relacionara la materia y la geometría del espacio-tiempo para expresar matemáticamente la expansión del Universo. Casualmente, Einstein ya había desarrollado esa fórmula. La cosmología moderna se basa en la teoría de la gravedad de Einstein.

Se pensó que la expansión se desacelera con el tiempo porque los contenidos del Universo se atraen entre sí. Pero a fines de la década de 1990, se descubrió que la expansión se ha acelerado desde hace unos 8 Giga años. Esta fue otra gran sorpresa que les valió a los astrónomos que encontraron la expansión la concesión de un Premio Nobel en 2011. Para explicar la aceleración, tenemos que considerar algo nuevo en el Universo que repele el espacio.

La resolución más simple es volver a poner la constante cosmológica en la ecuación de Einstein. La constante cosmológica fue originalmente introducida por Einstein para realizar un universo estático, pero fue abandonada después del descubrimiento de la expansión del Universo. El modelo cosmológico estándar (llamado LCDM) incorpora la constante cosmológica. LCDM es compatible con muchas observaciones, pero la pregunta de qué causa la aceleración aún permanece. Este es uno de los mayores problemas de la cosmología moderna.

Ahora, el equipo está dirigiendo una encuesta de imágenes a gran escala utilizando Hyper Suprime-Cam (HSC) para investigar el misterio del Universo en aceleración. La clave aquí es examinar la historia de expansión del Universo con mucho cuidado.

En el Universo primitivo, la materia se distribuía casi, pero no del todo. Hubo ligeras fluctuaciones en la densidad que ahora se pueden observar a través de las fluctuaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas. Estas ligeras fluctuaciones de materia evolucionaron durante el tiempo cósmico debido a la atracción gravitacional mutua de la materia, y finalmente la estructura a gran escala del Universo actual se hizo visible. Se sabe que la velocidad de crecimiento de la estructura depende en gran medida de cómo se expande el Universo. Por ejemplo, si la tasa de expansión es alta, es difícil que la materia se contraiga y se suprime la tasa de crecimiento. Esto significa que el historial de expansión puede probarse inversamente mediante la observación de la tasa de crecimiento.

Es importante tener en cuenta que la tasa de crecimiento no puede explorarse bien si solo observamos la materia visible (estrellas y galaxias). Esto se debe a que ahora sabemos que casi el 80% de la materia es una sustancia invisible llamada materia oscura. El equipo adoptó la "técnica de lente de gravedad débil". Las imágenes de galaxias distantes están ligeramente distorsionadas por el campo gravitacional generado por la distribución de materia oscura en primer plano. El análisis de la distorsión sistemática nos permite reconstruir la distribución de materia oscura en primer plano.

Esta técnica es observacionalmente muy exigente porque la distorsión de cada galaxia es generalmente muy sutil. Se requieren medidas de forma precisas de galaxias débiles y aparentemente pequeñas. Esto motivó al equipo a desarrollar Hyper Suprime-Cam. Han llevado a cabo una amplia encuesta de imágenes de campo utilizando Hyper Suprime-Cam desde marzo de 2014. Al momento de escribir este informe en febrero de 2018, se completó el 60% de la encuesta.

MAPA DE MATERIA OSCURA SIN PRECEDENTES, AMPLIO Y NÍTIDO

En esta versión, el equipo presenta el mapa de materia oscura basado en los datos de imágenes tomados en abril de 2016. Esto es solo el 11% del mapa final planificado, pero ya no tiene sin precedentes. Nunca ha habido un mapa de materia oscura tan nítido que cubra un área tan amplia.

Las observaciones de imágenes se realizan a través de cinco filtros de color diferentes. Combinando estos datos de color, es posible realizar una estimación cruda de las distancias a las galaxias de fondo débil (llamado desplazamiento al rojo fotométrico). Al mismo tiempo, la eficacia de la lente se vuelve más prominente cuando la lente se ubica directamente entre la galaxia distante y el observador. Usando la información fotométrica del desplazamiento al rojo, las galaxias se agrupan en contenedores de desplazamiento al rojo.

Utilizando esta muestra de galaxias agrupadas, la distribución de la materia oscura se reconstruye utilizando métodos tomográficos y, por lo tanto, se puede obtener la distribución 3-D ( en la imagen de arriba). Los datos de 30 grados cuadrados se utilizan para reconstruir el rango de desplazamiento al rojo entre 0.1 (alrededor de 1,3 G años luz) y 1.0 (sobre 8 G años luz). En el corrimiento al rojo de 1.0, el angulo abarcado corresponde a 1.0 G x 0.25 G años luz. Este mapa masivo de materia oscura 3-D también es bastante nuevo. Esta es la primera vez que el aumento en el número de halos de materia oscura a lo largo del tiempo se puede apreciar de forma observacional.

Estos resultados se publicaron en Publications of the Astronomical Society of Japan.