The sounds of the universe 7 billion years ago

panorámica campo profundo con galaxias

Los sonidos del universo de hace 7000 millones de años dan pistas sobre la energía oscura

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Dark Energy Survey acaba de obtener una medida de la escala del universo de hace 7.000 millones de años utilizando las ondas acústicas que se produjeron en el big bang. CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA

En sus primeros instantes, después del Big Bang, el universo era una sopa muy densa y muy caliente de partículas elementales, lo que los físicos llaman un plasma. Dos fuerzas contrapuestas actuaban en ese momento. Por una parte la presión, que trataba de separar las partículas. Por otra la gravedad, que trataba de juntarlas. Este tira y afloja cósmico produjo ondas de densidad, o acústicas, que se propagaron en el plasma. Esos son los sonidos del universo temprano.

Ahora hemos podido medir la huella de esas ondas sonoras en el universo de hace 7 000 millones de años y ofrecen pistas sobre la energía oscura.

Las ondas acústicas se congelaron

Las ondas acústicas viajaban por el cosmos mientras éste se expandía y se enfriaba. Unos 400 000 años después del Big Bang el plasma se había enfriado tanto que se empezaron a formar los átomos neutros y las ondas sonoras se detuvieron. Pero dejaron una huella en el modo en que se distribuye la materia. Esta huella, sorprendentemente, se observa hoy en día, y podemos medirla, en la distribución de las galaxias.

Los cosmólogos llaman a esta distancia la escala de las oscilaciones acústicas de los bariones (BAO, por Baryon Acoustic Oscillations). Esa escala permite, además, algo interesantísimo: medir la energía oscura en la distribución de galaxias.

Una regla de medir cósmica

La distancia que recorrió la onda sonora en el plasma primordial puede calcularse con gran precisión y nos da una vara de medir para el universo. Una vara con una longitud de unos 489 millones de años-luz. Es gigantesca, y por eso está muy bien adaptada para medir distancias cósmicas. Es el ejemplo más importante de lo que los cosmólogos llaman una regla estándar.

De hecho, el universo es tan enorme que la luz de las galaxias tarda miles de millones de años en llegar a los observatorios de la Tierra. Por lo tanto, detectamos las galaxias distantes como eran cuando la luz salió de ellas, y así vemos la historia del universo primitivo.

Observando la escala de las oscilaciones acústicas (BAO) a diferentes distancias (diferentes épocas del universo) podemos conocer la evolución de la expansión cósmica, y con ella las propiedades del sector oscuro: la materia oscura y la energía oscura.

DES ha medido galaxias del universo de hace 7 000 millones de años

He Cartografiado de la Energía Oscura (DES, por sus siglas en inglés, Dark Energy Survey) acaba de publicar una nueva medida de la escala BAO en el universo de hace 7 000 millones años. Esto es más o menos la mitad de su edad. La medida tiene una gran precisión (un 2%). Es la más precisa nunca realizada en una época tan temprana del universo.

DES es un gran proyecto internacional en el que participan más de 400 científicos de 7 países. España forma parte del proyecto desde su inicio, en 2005, a través de 4 instituciones, dos en Barcelona (IFAE e ICE) y dos en Madrid (CIEMAT e IFT). El equipo científico internacional de DES diseñó e instaló una de las mayores cámaras del mundo en el telescopio Blanco, en Chile. Con sus 500 millones de píxeles, es capaz de tomar imágenes de objetos enormemente distantes.

400 millones de galaxias

El proyecto DES está especialmente diseñado para estudiar la energía oscura tomando imágenes muy profundas del universo. Ha fotografiado una octava parte del cielo desde el hemisferio sur. En estas imágenes se identifican más de 400 millones de galaxias, además de muchos otros objetos celestes. Tomó datos de 2013 a 2019 y ahora ha entrado en la fase final de su análisis científico. DES utiliza varios métodos independientes para el estudio de la energía oscura. Uno de ellos es la medida de la escala BAO, liderada por los investigadores españoles y que ahora se ha hecho pública.

Para medir la escala BAO se han seleccionado 16 millones de galaxias, específicamente elegidas para determinar con precisión la distancia a la que se encuentran. La luz que emitieron hace unos 7 000 millones de años llega ahora a la cámara de DES, lo que le permite observar el universo antiguo. Y observa que, en efecto, las galaxias tienen una mayor tendencia a estar separadas entre sí por un ángulo de 2,90 grados en el cielo. Esta es la señal de la escala BAO, la evidencia de esas señales acústicas que dejaron su huella en la distribución de las galaxias.

Esta escala se puede determinar también en el cosmos temprano, utilizando la luz más antigua del universo, la radiación de fondo de microondas. Esta radiación data de cuando se formaron los átomos y la onda de sonido se detuvo, unos 400 000 años después del Big bang.

Un examen muy exigente para la teoría del Big Bang

La comparación entre el resultado obtenido en la radiación de fondo y el obtenido utilizando cartografiados de galaxias es una de las pruebas más exigentes a las que se puede someter a la teoría del Big Bang. En esta comparación el resultado de DES resulta ser un 4% mayor de lo que se esperaría según la radiación de fondo, medida por el satélite Planck en 2018, aunque está en buen acuerdo con medidas previas de otros cartografiados de galaxias, como BOSS y su extensión eBOSS.

Todas estas medidas están de acuerdo con la teoría del Big Bang y la energía oscura en forma de constante cosmológica, pero hay que tomar más datos para confirmar si esa pequeña diferencia del 4% es real o una mera fluctuación estadística.

El paso siguiente es combinar este resultado con otras técnicas de estudio de la energía oscura en DES, que se obtendrán a lo largo de este año. Además, hay otros proyectos que publicarán sus resultados también a lo largo de 2024, como DESI, especialmente diseñado para medir la escala BAO con enorme precisión a lo largo de la historia del universo.

Si hay física nueva en el cosmos, lo confirmaremos muy pronto.The Conversation

Eusebio Sánchez Álvaro, cosmology and particle physics, Center for Energy, Environmental and Technological Research (CIEMAT)

Fuente theconversation.