La distancia a las galaxias, medida con una precisi¨®n del 1%

"Ahora conozco el tama?o del universo mejor de lo que conozco el tama?o de mi casa", dice David Schlegel, f¨ªsico del Lawrence Berkeley National Laboratory (en California, EE UU). "No hay muchas cosas que conozcamos con una precisi¨®n del 1%". ?l lidera el equipo internacional que ha logrado determinar con esa precisi¨®n del?1% la distancia a galaxias lejanas (a m¨¢s de 6.000 millones de a?os luz). El logro debe permitir avanzar en la investigaci¨®n de la energ¨ªa oscura, esa misteriosa componente del cosmos que provoca la aceleraci¨®n de su expansi¨®n y que nadie sabe qu¨¦ es. Descubierta esa aceleraci¨®n, y ya con un premio Nobel por ello, se trata de una de las mayores inc¨®gnitas de la f¨ªsica y la cosmolog¨ªa actualmente.

El proyecto BOSS (Baryon Oscillation Spectrocopic Survey), en el que participan cient¨ªficos de varias instituciones espa?olas, ha presentado este mi¨¦rcoles esas medidas de alta precisi¨®n en la reuni¨®n anual de la Sociedad Americana de Astronom¨ªa que se celebra en National Harbor (Maryland) y se han presentado para su publicaci¨®n en varios art¨ªculos en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Hace 20 a?os, los astr¨®nomos discut¨ªan sobre estimaciones (de la escala del universo) divergentes hasta en un 50%", contin¨²a Schlegel en un comunicado del laboratorio de Berkeley. "Hace cinco a?os, nosotros refinamos esa incertidumbre hasta un 5% y hace un a?o, hasta el 2%; la precisi¨®n del 1% ser¨¢ el est¨¢ndar durante mucho tiempo".

Los astr¨®nomos de BOSS, uno de los proyectos del rastreo digital del cielo Sloan (SDSS-III en sus siglas en ingl¨¦s) han utilizado un telescopio en el Observatorio de Apache Point, en Nuevo M¨¦xico, para obtener espectros de la luz de m¨¢s de un mill¨®n de galaxias situadas a distancias de hasta 6.000 millones de a?os luz de la Tierra. El an¨¢lisis presentado hoy por el equipo incluye los datos de 1.277.503 galaxias del cielo del hemisferio Norte. Cuando est¨¦ completo el proyecto, se?alan los investigadores, tendr¨¢n los datos de 1,3 millones de galaxias, m¨¢s de 160.000 cu¨¢sares y miles de otros objetos celestes.

En el proyecto participan cient¨ªficos de varias instituciones espa?olas

"Ves algo en el cielo... ?A qu¨¦ distancia est¨¢?", apunta Daniel Eisenstein, astr¨®nomo de la Universidad de Harvard y director del SDSS-III, que ha presentado hoy los nuevos resultados. "Determinar distancias es un reto fundamental de la astronom¨ªa observacional", recalca.

Las distancias a los planetas del Sistema Solar se pueden medir con gran precisi¨®n usando radares, pero para objetos m¨¢s distantes los astr¨®nomos deben utilizar m¨¦todos menos directos. Solo unos pocos cientos de estrellas y un peque?o n¨²mero de c¨²mulos estelares est¨¢n lo suficientemente cerca como para tener distancias medidas con una precisi¨®n del 1%. Para grandes distancias en el universo, los astr¨®nomos agudizan su ingenio a partir de las propiedades de objetos celestes (sobre todo estrellas variables y supernovas), y, analizando los espectros de luz que indican c¨®mo se est¨¢n alejando por la expansi¨®n del universo, estiman su distancia.

Pero el equipo de BOSS hace un enfoque diferente. BOSS mide las llamadas oscilaciones ac¨²sticas de bariones (BAO, por sus siglas en ingl¨¦s), un t¨¦rmino dif¨ªcil para los no especialistas pero que conecta con la infancia del universo. Esas oscilaciones son "sutiles ondulaciones peri¨®dicas impresas en la distribuci¨®n de las galaxias en el cosmos", explican los f¨ªsicos del Instituto de F¨ªsica Te¨®rica (IFT), de la Universidad Aut¨®noma de Madrid y el CSIC, miembros del equipo internacional. "Estas ondulaciones son vestigios de ondas de presi¨®n que se movieron a trav¨¦s del plasma del universo temprano, que era tan caliente y denso que las part¨ªculas de luz, los fotones, estaban fuertemente acopladas a los protones y neutrones (bariones) que conforman los n¨²cleos de los ¨¢tomos". El tama?o de esas ondulaciones "se congel¨®" al enfriarse el universo en expansi¨®n y bajar su densidad, y "su tama?o fijo puede ser usado como metro patr¨®n con el cual medir la escala de nuestro universo".

Sin embargo, no se observan esas ondulaciones directamente, explica Chia-Hsun Chuang, investigador del IFT y autor de uno de los art¨ªculos de BOSS ahora presentados, junto con Francisco Prada y Claudia Scoccola. El tama?o de esas ondulaciones "se traduce en una distancia preferente entre galaxias y medimos la separaci¨®n de cada par de ellas para determinar esta distancia de manera estad¨ªstica", a?ade Chuang.

"Determinar distancias es un reto fundamental de la astronom¨ªa observacional" Daniel Eisenstein, astr¨®nomo de la Universidad de Harvard y Director del SDSS-III

Esas ondas formadas en el universo primitivo, las BAO, son como arrugas regulares de densidad que permean el universo y que ahora se observan "como gotas de lluvia en la superficie de un estanque", apuntan los cient¨ªficos de Berkeley. "La acumulaci¨®n regular de galaxias deriva directamente de las ondas de presi¨®n que hab¨ªa en aquel plasma caliente primitivo", a?aden.

Unos 380.000 a?os despu¨¦s del Big Bang, aquel plasma se hab¨ªa enfriado, la temperatura del universo hab¨ªa bajado lo suficiente como para que la luz, los fotones, se liberara de su acoplamiento con las part¨ªculas de materia, y el cosmos se hizo transparente y sigui¨® su expansi¨®n. El universo tiene ahora 13.800 millones de a?os, seg¨²n las ¨²ltimas medidas realizadas con el telescopio "Planck" de la Agencia Europea del Espacio (ESA), que ha determinado asimismo la composici¨®n del cosmos: el 4,9% es materia corriente, el 26,8% es materia oscura y el 68,3% es energ¨ªa oscura.

Los cient¨ªficos de BOSS observan las huellas congeladas de aquellas ondulaciones, pero tienen que recurrir a modelos para desenmascarar las distorsiones producidas en ellas, por ejemplo, por los efectos gravitatorios.

Los investigadores del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona, Licia Verde y Antonio Cuesta han realizado los c¨¢lculos necesarios para determinar c¨®mo esta medida de BOSS de la distancia promedio a estas galaxias afecta a nuestro conocimiento del contenido de la materia y a la energ¨ªa oscura del universo. "Los resultados de estos c¨¢lculos restringen los posibles valores de los par¨¢metros que describen nuestro universo, como son su expansi¨®n en el momento presente, el contenido de materia oscura o la curvatura del universo", se?ala Cuesta. "Estos resultados son complementarios a los obtenidos con otras mediciones".

"Las medidas de precisi¨®n de distancias en el universo incrementan radicalmente nuestro conocimiento de las propiedades cosmol¨®gicas fundamentales, incluyendo c¨®mo la energ¨ªa oscura acelera la expansi¨®n del universo", recalcan los cient¨ªficos estadounidenses de BOSS.

Los resultados de este proyecto han sentado las bases para el proyecto internacional DESI, que pretende realizar un mapa 3D a¨²n m¨¢s grande y m¨¢s ambicioso, en el que Espa?a est¨¢ involucrada en el desarrollo de su instrumentaci¨®n. En DESI participan 50 instituciones y cartografiar¨¢ 25 millones de galaxias y m¨¢s de tres millones de cu¨¢sares, comenta Prada, que lidera la participaci¨®n espa?ola en este proyecto.