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| Se realizaron observaciones para el Dark Energy Survey, utilizando el Telescopio Blanco en la cordillera de los Andes de Chile. Los científicos utilizaron sus datos para crear un mapa de la materia oscura en la región del cielo que contiene el supervoide Eridanus y el punto frío del CMB. Foto: Reidar Hahn, Fermilab |
Según nuestros modelos cosmológicos actuales, el Universo comenzó con un Big Bang hace aproximadamente 13.800 millones de años. Durante los primeros periodos, el Universo estaba impregnado de una nube opaca de plasma caliente que impedía la formación de átomos. Unos 380.000 años después, el Universo se enfrió hasta una temperatura de unos -270 °C (-454 °F), lo que convirtió en luz gran parte de la energía generada por el Big Bang. Este resplandor es ahora visible para los astrónomos como Fondo Cósmico de Microondas (CMB), observado por primera vez durante la década de 1960.
Una característica peculiar del CMB que atrajo mucha atención fueron las diminutas fluctuaciones de temperatura, que podrían proporcionar información sobre el Universo primitivo. En particular, hay un punto bastante grande en el CMB que es más frío que el resplandor circundante, conocido como el punto frío del CMB. Tras décadas de estudio de las fluctuaciones de temperatura del CMB, un equipo de científicos ha confirmado recientemente la existencia del mayor punto frío en el resplandor posterior del CMB -el Supervoide Eridanus-, ¡que podría ser la explicación del Punto Frío del CMB que los astrónomos han estado buscando!
La investigación fue realizada por el Dark Energy Survey (DES), un equipo internacional de investigadores formado por 300 científicos de 25 instituciones de siete países. El equipo de investigación fue dirigido por András Kovacs, astrofísico del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de Laguna en Tenerife, España. Los resultados de su estudio, titulado "The DES view of the Eridanus supervoid and the CMB cold spot", aparecieron en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 17 de diciembre de 2021.
¿Por qué tan frío?
Desde el descubrimiento del CMB, se han montado múltiples misiones para estudiarlo con mayor detalle. Entre ellas, la misión soviética RELIKT-1 a bordo del satélite Prognoz 9 (lanzada en julio de 1983) y la misión Cosmic Background Explorer (COBE) de la NASA. Los resultados de esta última se publicaron en 1992 y revelaron oscilaciones acústicas en el plasma (el primer "pico acústico") que corresponden a variaciones de densidad a gran escala en el Universo primitivo creadas por inestabilidades gravitacionales.
No se detectó un segundo pico acústico con seguridad hasta que se desplegó la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP) en 2001, seguido de un tercer pico antes de que la misión concluyera en 2010. Desde entonces, muchas más misiones han monitorizado el CMB para establecer restricciones más estrictas sobre las diferencias de temperatura y las variaciones de densidad a pequeña escala. La más notable de ellas es la nave espacial Planck de la ESA (2009-2013), que ha proporcionado los mapas de temperatura del CMB más detallados hasta la fecha.
Por desgracia, estos mapas no resolvieron el misterio del punto frío del CMB, una gran región que es ligeramente más fría (70 µK o 0,00007 Kelvin) que el fondo cósmico: aproximadamente 2,7 K (-270 °C; -455 °F). Por lo tanto, el misterio permanente de esta anomalía ha dado lugar a todo tipo de explicaciones, que van desde un artefacto en los datos hasta la posible existencia de un universo paralelo que choca con el nuestro.
El supervacío de Eridanus
Los vacíos cósmicos se refieren a las vastas regiones del espacio que se encuentran entre las galaxias y los cúmulos de galaxias y que (junto con la materia oscura) conforman la estructura a gran escala del Universo. Estos vacíos se definen por su relativa falta de "materia normal", como las galaxias o el polvo y el gas -el medio intergaláctico (IGM)- y menos materia oscura que la observada en los cúmulos de galaxias. Mientras que estas estructuras se mantienen unidas por la fuerza de atracción mutua (gravedad), también se expanden debido a una fuerza teórica pero no detectada (energía oscura).
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| El punto frío se encuentra en la constelación de Eridanus, en el hemisferio sur de la galaxia. El recuadro muestra el mapa de temperatura de microondas de esta zona del cielo, tal y como lo ha cartografiado el satélite Planck de la ESA. La figura principal muestra el mapa de la distribución de la materia oscura creado por el equipo del DES. Crédito: Gergö Kránicz & András Kovács |
Situado a 1.800 millones de años luz en la constelación de Eridanus, el Supervacío de Eridanus era una infradensidad teórica en la que las concentraciones de materia eran un 30% menores que en la región galáctica circundante. El centro de este vacío se encuentra a 2.000 millones de años luz de la Tierra, lo que lo convierte en la infradensidad dominante en nuestro vecindario galáctico. Utilizando los datos recogidos por el Dark Energy Survey (DES), el equipo creó un mapa de la materia oscura (DM) en la misma dirección que el punto frío del CMB.
El equipo también utilizó la masa de esta DM como una lente gravitacional, donde la poderosa gravedad de un objeto masivo amplifica y altera la trayectoria de la luz que viene por detrás. El coautor Niall Jeffrey, astrofísico de la Universidad de París y del University College de Londres, ayudó a construir el mapa de la DM. "Este mapa de la materia oscura es el mayor mapa de este tipo que se ha creado", dijo en un comunicado de prensa del Fermilab. "Hemos sido capaces de cartografiar la materia oscura en una cuarta parte del hemisferio sur".
En combinación con observaciones anteriores sobre la infradensidad de galaxias en la región, los nuevos mapas también confirmaron una infradensidad en términos de materia oscura en la misma zona. Esto confirma efectivamente un supervacío en la constelación de Eridanus que se corresponde con lo que se había teorizado. Este vacío podría ser la razón del punto frío del CMB, una resolución potencial de lo que estos vacíos dicen sobre la evolución del cosmos, y una indicación de cómo siguen afectando a la evolución cósmica hoy en día.
Implicaciones para la energía oscura
Esta última investigación también es significativa en lo que respecta a otro misterio persistente, que es la existencia y la naturaleza de la energía oscura. Como se ha señalado, se trata de la misteriosa fuerza que contrarresta la gravedad y es responsable de impulsar la expansión cósmica. Predicha originalmente por la teoría de la relatividad general de Einstein, la expansión del cosmos fue demostrada por primera vez por Edwin Hubble (homónimo del telescopio espacial Hubble) durante la década de 1920.
En la década de 1990, el misterio se profundizó cuando estudios como el de los Campos Profundos de Hubble revelaron que la expansión cósmica se había acelerado durante los últimos 3.000 millones de años. Esto dio lugar a teorías de que algo estaba impulsando esta expansión, ya sea una fuerza no descubierta o alguna modificación de la relatividad general. Mediante la realización de estudios a gran escala del Universo, colaboraciones científicas como el DES esperan ver directamente la influencia de la energía oscura y, por tanto, medir sus propiedades.
La presencia de vacíos cósmicos entre los cúmulos galácticos indica que este continuo tira y afloja entre las fuerzas gravitatorias y la expansión hace que algunos vacíos sean más profundos. Dijo el coautor García-Bellido, cosmólogo del IFT-Madrid:
"Los fotones o partículas de luz entran en un vacío en un momento anterior a que éste comience a hacerse más profundo y salen después de que el vacío se haya hecho más profundo. Este proceso significa que hay una pérdida neta de energía en ese viaje; eso se llama el efecto integrado Sachs-Wolfe. Cuando los fotones caen en un pozo de potencial, ganan energía, y cuando salen de un pozo de potencial, pierden energía. Este es el efecto de corrimiento al rojo gravitacional".
Lambda-CMB
Sin embargo, este estudio no resuelve la discrepancia general entre el modelo cosmológico estándar y las variaciones de temperatura observadas con el punto frío del CMB. Este modelo se conoce como el modelo de la materia oscura fría Lambda (LCDM), que predice que la DM está compuesta por partículas grandes y de movimiento lento ("frías") que son impulsadas por una fuerza expansiva (DE), representada por el parámetro L.
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| Diagrama que muestra el Universo Lambda-CBR, desde el Big Bang hasta la era actual. Crédito: Alex Mittelmann/Coldcreation |
En resumen, los resultados confirman la existencia del Supervoide Eridanus, pero no pueden atribuir de forma concluyente la Mancha Fría al efecto del supervoide sobre los fotones del CMB. Como resumió Kovacs
"Tener la coincidencia de estas dos estructuras individualmente raras en la red cósmica y en el CMB no es básicamente suficiente para probar la causalidad con el estándar científico. Es un elemento lo suficientemente nuevo en la larga historia del problema del punto frío del CMB como para que, después de esto, la gente tenga al menos la certeza de que existe un supervacío, lo cual es bueno porque algunas personas lo han debatido. El problema es que los modelos alternativos típicos tampoco pueden explicar esta discrepancia, por lo que, de ser cierto, podría significar que no entendemos algo muy profundo sobre la energía oscura."
Esta puede ser la mayor baza de esta última investigación, y es que puede ayudar a centrar los esfuerzos de investigación futuros. Si el modelo Lambda-CDM es correcto, entonces el punto frío del CMB puede ser una anomalía extrema que casualmente tiene un supervoide masivo delante. Si es incorrecto, entonces la medida en que los fotones del CMB son desplazados al rojo por los supervoides que intervienen -también conocido como efecto Sachs-Wolfe integrado (ISW)- es más fuerte de lo esperado. Para que este último escenario sea cierto, la densidad de energía del Universo tiene que estar dominada por algo distinto a la "materia normal".
Este es uno de los pilares centrales de la LCDM y de las teorías predominantes sobre la DM y la ED, que afirman que la DM representa el 85% de la materia del Universo, mientras que la ED representa el 72% de la densidad de masa-energía total. Por desgracia, este misterio requerirá futuros estudios y encuestas antes de que los científicos puedan decir con seguridad cuál es la hipótesis verdadera. Por suerte para ellos, hay varios observatorios que llevarán a cabo esta investigación en un futuro próximo.
Algunos ejemplos son el telescopio espacial James Webb de la NASA (que acaba de llegar a la L2), el telescopio espacial Nancy Grace Roman (sucesor del Hubble) y los observatorios Euclid y Ariel de la ESA. Con estos y otros sofisticados instrumentos que se adentran en el espacio (y en el tiempo), los misterios del "Universo Oscuro" no seguirán siendo un misterio por mucho tiempo.
Fuentes, créditos y referencias:
Fuentes: Fermilab, Universe Today