El Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), en colaboración con la Universidad de Ginebra (Suiza), la Universidad de Osaka (Japón) y la Universidad de Zhejiang (China), ha realizado una contribución clave para medir con mayor precisión la expansión del Universo. Esto se debe a que han mejorado la precisión del cálculo de la escala del Universo es sus etapas tempranas a partir del análisis de la distribución del gas en el espacio intergaláctico, mediciones que se remonta a entre 10.000 y 12.000 millones de años atrás. 

Este resultado proviene del análisis de la luz absorbida por los cuásares, que son agujeros negros supermasivos activos y fuentes de luz extremadamente brillantes, así como de las oscilaciones en las ondas de sonido; que emiten los bariones, es decir las partículas de materia ordinaria. El ‘baile’ entre los cuásares y los bariones se convierte en el patrón en el Universo primitivo que sirven como regla estándar cósmica, es decir la coreografía marcada a seguir. 

Este avance se logró gracias un promedio de los resultados obtenidos de un millar de simulaciones cosmológicas, que abarcan volúmenes del Universo con tamaños de miles de millones de años luz. Los investigadores explican que “el efecto descubierto debe ser tenido en cuenta en futuros análisis para mejorar las estimaciones de la tasa de expansión del Universo y, en consecuencia, para mejorar nuestra comprensión la naturaleza de la energía oscura”. 

Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés) 

El equipo participa en la elaboración de los modelos teóricos apoyados en datos del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés) y PFS (Espectrógrafo del Foco Primario en el telescopio Subaru en Hawaii). La investigación se ha publicado en The Astrophysical Journal Letters.

Las observaciones actuales revelan que nuestro Universo está compuesto predominantemente por materia oscura (que supone aproximadamente el 24% del total) y energía oscura (que supone el 73%), mientras que la materia bariónica -la materia ordinaria- sólo representa alrededor del 4% de la densidad total. A pesar de su pequeña fracción, la materia bariónica desempeña un papel fundamental en nuestra comprensión de la evolución cosmológica. Esto se debe a que la mayor parte de la información sobre cómo evoluciona el Universo nos la dan elementos formados por materia ordinaria como galaxias, que pueden emitir luz observable por telescopios desde la Tierra. 

Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO)

Una de las señales cosmológicas más significativas para estudiar la evolución del Universo, nos la dan las llamadas Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO). Es decir, las oscilaciones que se producen en la distribución de la materia en la ‘sopa’ inicial de materia en el Universo primitivo. En aquella época, el Universo era tan denso y caliente que la luz y la materia estaban en constante interacción. Cuando se estudia ese momento y la materia se pone en un gráfico, las BAO aparecen como un pico prominente en la agrupación de trazadores de materia a una escala muy precisa conocida como ‘escala del BAO’. Debido a su precisión y fiabilidad, los BAO se utilizan ampliamente como regla estándar para restringir los modelos cosmológicos con datos observacionales y sirven como longitud de referencia para estimar el tamaño de un objeto que pasa cerca, incluso si el objeto está muy lejos.

El resultado principal del estudio consiste en la detección de una modificación sistemática de la escala del BAO, tal y como se mediría en los datos. Este descubrimiento se realizó analizando el llamado bosque Lyman-alfa, que son una serie de líneas de absorción en los espectros de los agujeros negros supermasivos activos que trazan la distribución de la materia en el Universo. Hasta entonces, este efecto había pasado desapercibido y, por tanto, no se había tenido en cuenta en la estimación de los parámetros cosmológicos.

Este hallazgo fue posible gracias a la generación de mil simulaciones, cada una de las cuales abarcaba un gran volumen cosmológico. Sorprendentemente, cada simulación tardó menos de cinco minutos en ejecutarse en un ordenador portátil estándar.  Estos modelos se calibraron frente a un par de simulaciones cosmológicas de alto coste computacional, que requirieron aproximadamente 200.000 horas de CPU en un superordenador.

“Esperamos que este resultado tenga un fuerte impacto en la comunidad científica. Este efecto no se había explorado antes y marca un hito importante en este campo. El estudio ya ha suscitado un gran interés entre otros colegas de todo el mundo”, afirma Francesco Sinigaglia, investigador postdoctoral de la Universidad de Ginebra y autor principal del artículo. 

Bosque Lyman-alfa

“Confiábamos en detectar este efecto basándonos en hallazgos previos relacionados con vacíos cósmicos”, afirma Francisco-Shu Kitaura, profesor de la ULL e investigador del IAC. “La intuición de que dicho efecto podría estar también presente en el bosque Lyman-alfa nos motivó a investigar más a fondo, siendo la primera vez que se hace. Ahora estamos muy ilusionados por explorar cómo incorporar este efecto a los análisis cosmológicos, aprovechando la experiencia de nuestro grupo en el IAC”, añade.   

El resultado se obtuvo promediando los observables de mil simulaciones rápidas, un paso necesario para extraer información cosmológica con gran precisión. “Generar este tipo de simulaciones no es una tarea trivial”, afirma Kentaro Nagamine, profesor de la Universidad de Osaka.  “Nos basamos en modelos que hemos desarrollado a lo largo de los años para predecir rápidamente el bosque Lyman-alfa, pero estos modelos deben calibrarse con simulaciones más complejas y costosas desde el punto de vista computacional”, añade.

Como se preveía, las complejas simulaciones cosmológicas fueron esenciales para predecir con exactitud el bosque Lyman-alfa de forma rápida . “Realizamos un par de simulaciones hidrodinámicas cosmológicas gemelas; con volúmenes entre los mayores jamás simulados con hidrodinámica”, afirma Yuri Oku, investigador postdoctoral de la Universidad de Zhejiang (China). 

La BAO es una medida fundamental para muchos estudios cosmológicos, por lo que es esencial comprender y tener en cuenta los posibles efectos sistemáticos para lograr restricciones cosmológicas no sesgadas.

“Desarrollar una sólida comprensión teórica de la BAO es crucial para analizar con precisión los datos de los estudios cosmológicos”, afirma Francesco Sinigaglia. “Hasta ahora, el BAO en el bosque Lyman-alfa se ha analizado sin tener en cuenta este sutil efecto. Sin embargo, con la precisión de los datos entrantes, estamos empezando a ser sensibles a él. Estamos entrando en una era de cosmología de precisión sin precedentes”, añade.

Los autores planean seguir caracterizando el efecto descubierto y generando cientos de simulaciones a gran escala del bosque Lyman-alfa que cubrirán todo el cielo. Se espera que estas simulaciones, que incorporan el efecto recién identificado, establezcan un estándar para la próxima generación de estudios cosmológicos.

Artículo: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad66bf

Contacto en el IAC:

Francisco-Shu Kitaura: fkitaura [at] ull.edu.es (fkitaura[at]ull[dot]edu[dot]es)

Contacto en la Universidad de Ginebra:

Francesco Sinigaglia, francesco.sinigaglia [at] unige.ch (francesco[dot]sinigaglia[at]unige[dot]ch)

Contacto en la Osaka University:

Kentaro Nagamine, kn [at] astro-osaka.jp (kn[at]astro-osaka[dot]jp)