Catorce mil cuásares para reconstruir el Universo del pasado

Jordi Miralda / 25-05-2011

Los cuásares son las fuentes más luminosas que se conocen del Universo, por lo que son ideales para su observación a las distancias más lejanas y para el estudio del gas intergaláctico que la luz del cuásar intercepta en su viaje hacia nosotros. En el espectro de luz de un cuásar, el hidrógeno interceptado absorbe la luz a una longitud de onda que, debido a la expansión del Universo, depende de la distancia entre el cuásar y la nube de hidrógeno. Ese espectro se puede trasladar a un mapa unidimensional de la distribución del gas intergaláctico en la línea visual y si observamos una gran cantidad de cuásares, la información se puede combinar para obtener un mapa tridimensional.

En el proyecto Rastreo Espectroscópico para Oscilaciones Bariónicas (Baryons Oscillation Spectroscopic Survey, BOSS) ?en el marco del tercer proyecto Rastreo Digital del Espacio Sloan (Sloan Digital Sky Survey, SDSS-III) ?, se ha utilizado un nuevo instrumento de espectroscopia en un telescopio de gran campo de 2,5 metros en el observatorio de Apache Point (Nuevo México, Estados Unidos). Este instrumento tiene la capacidad de observar un gran número de galaxias y cuásares al mismo tiempo: en una sola exposición de una hora, se pueden obtener espectros de unos mil objetos a la vez. Entre esos mil objetos, unos cien suelen ser cuásares a grandes distancias, y unos ochocientos suelen ser galaxias masivas que se utilizan para obtener el mapa de la distribución de galaxias en una región más cercana a nosotros. De este modo, la luz recogida por el telescopio se utiliza de una forma extremadamente eficaz.

El análisis de estos datos se ha dado a conocer ahora en un trabajo dirigido por Anže Slosar, del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en el que han participado también científicos del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona. S?e basa en los primeros 14.000 quásares observados durante el primer año del proyecto BOSS. Cuando finalice este proyecto, dentro de tres años, se prevé que se habrán observado 150.000 cuásares y un millón de galaxias, y que se obtendrá un mapa mucho más extenso.

Cuando observamos objetos muy lejanos vemos el Universo en el pasado, debido a la velocidad finita de la luz. Los cuásares observados por BOSS están a una distancia de unos once mil millones de años luz respecto a nosotros, y los vemos cuando el Universo tenía sólo unos tres mil millones de años. Las galaxias masivas observadas por BOSS son más cercanas, cuando tenía entre ocho y diez mil millones de años. Actualmente, su edad es de unos catorce mil millones de años.

En la época en que observamos los cuásares con BOSS, en un universo joven de tres mil millones de años de edad, la mayoría de galaxias se encontraban en pleno proceso de formación y los actuales cúmulos de galaxias aún no se habían formado; apenas se estaban empezando a formar por colapso gravitatorio. Inicialmente, la materia que se concentra hoy en galaxias, cúmulos y supercúmulos de galaxias estaba repartida uniformemente por el espacio. Para poder formar esas estructuras por colapso durante el tiempo de vida del Universo, la materia debía moverse a velocidades de hasta un millón de kilómetros por hora, unas velocidades que producen unas distorsiones características en los mapas obtenidos de la distribución del hidrógeno en el espacio. Las velocidades inducidas por el colapso gravitatorio crean un cierto desplazamiento en la longitud de la onda de absorción, al igual que lo hace la expansión del Universo y, por lo tanto, la distribución del gas en el mapa obtenido adquiere unas propiedades estadísticas diferentes que podemos detectar en un mapa suficientemente extenso, cuando el número de cuásares observados es lo bastante grande.

El análisis presentado ahora por el proyecto Sloan y el equipo de colaboradores de BOSS nos ofrece la primera evidencia de las distorsiones producidas por la velocidad del gas en la formación de estas grandes estructuras del Universo a partir de observaciones del gas intergaláctico. Las distorsiones son las esperadas cuando las velocidades son inducidas por el colapso gravitatorio. Si las velocidades fueran ocasionadas por explosiones o por algún otro fenómeno distinto a la gravedad, las distorsiones que se observarían serían totalmente diferentes. La prueba de la formación de las grandes estructuras del universo por medio de la gravedad sólo se había obtenido hasta ahora con observaciones de galaxias y de sus movimientos, y hasta una época en la que el universo tenía unos siete mil millones de años. Con este trabajo, se ha conseguido detectar los movimientos gravitatorios de formación de los supercúmulos actuales utilizando el gas intergaláctico, y se ha retrocedido en el pasado hasta los tres mil millones de años de edad.

En los próximos cuatro años, esperamos que durante las observaciones de BOSS, se registrarán más de 150.000 cuásares. Conforme el volumen de datos vaya aumentando, podremos ir obteniendo resultados mucho más detallados del estado evolutivo del Universo en esta época primitiva y del proceso de formación de las estructuras a grandes escalas. Estos primeros resultados demuestran la utilidad de la nueva técnica observacional en Cosmología, que permite obtener grandes cantidades de espectros de absorción del gas intergaláctico en cuásares lejanos para poder construir mapas de la distribución de materia en el Universo.

Una de las señales más importantes que esperamos detectar con este mapa más extenso de BOSS en los próximos años es el llamado pico de las oscilaciones acústicas bariónicas. Las oscilaciones bariónicas se formaron al emitirse la radiación de fondo de microondas, cuando el Universo tenía sólo unos trescientos mil años de edad y la materia actual estaba aún esparcida con una densidad casi constante por el espacio, salvo por unas pequeñas oscilaciones primordiales. Las oscilaciones eran una especie de música del Universo primitivo, unas ondas de sonido que se propagaban por el espacio hasta que, al emitirse la radiación, la materia quedó liberada para poder colapsar. Entonces, las ondas de sonido se convirtieron en las semillas que debían crecer gravitatoriamente hasta producir las actuales galaxias, cúmulos y supercúmulos. La propagación de estas ondas de sonido en el Universo primitivo debió dejar una señal en la distribución de materia, tanto en las galaxias como en el gas y se prevé que se pueda detectar esa señal en el nuevo mapa del gas intergaláctico cuando se hayan observado los 150.000 cuásares previstos.

De cara al futuro, un nuevo proyecto llamado BigBoss está siendo diseñado para llegar a observar hasta un millón de cuásares. BigBoss será un nuevo instrumento capaz de observar 4.000 espectros al mismo tiempo en un telescopio de cuatro metros de apertura. El proyecto BigBoss, en cuyo diseño participan varios centros de investigación españoles, prevé obtener un mapa mucho más completo y extenso que el proyecto BOSS, lo cual nos permitirá averiguar el proceso de formación de las galaxias y de grandes estructuras con mucho más detalle.

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El autor

Jordi Miralda es investigador ICREA en el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona.

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