Materia oscura mapeada alrededor de galaxias distantes

? física 15, 117

La lente gravitatoria del fondo cósmico de microondas se ha utilizado para sondear la distribución de la materia oscura alrededor de algunas de las primeras galaxias del Universo.

Figura 1: Una galaxia distante y su halo de materia oscura circundante (azul) pueden desviar los rayos de luz (flechas blancas) del fondo cósmico de microondas a través de lentes gravitacionales. Miyatake y sus colegas utilizaron mediciones de esta lente del satélite Planck y mediciones de luz de longitud de onda óptica (flecha naranja) de galaxias tan distantes realizadas por el telescopio Subaru en la Tierra para determinar la distribución de la materia oscura alrededor de las galaxias.Una galaxia distante y su halo de materia oscura circundante (azul) pueden desviar los rayos de luz (flechas blancas) del fondo cósmico de microondas a través de lentes gravitacionales. Miyatake y sus colegas usaron mediciones de esta lente del satélite Planck y… mostrar más

Investigar las propiedades de las galaxias es fundamental para descubrir la naturaleza aún desconocida de las formas dominantes de masa y energía en el Universo: la materia oscura y la energía oscura. La materia oscura reside en “halos” que rodean las galaxias, y se puede obtener información sobre la evolución de esta sustancia invisible examinando las galaxias en un amplio rango de tiempo cósmico. Pero observar galaxias distantes, aquellas con altos desplazamientos al rojo, plantea un desafío para los astrónomos porque estos objetos se ven muy tenues. Afortunadamente, hay otra forma de sondear la materia oscura alrededor de tales galaxias: a través de la huella que deja en el patrón de fluctuaciones de temperatura del fondo cósmico de microondas (CMB) a través de lentes gravitacionales (Fig. 1). Hironao Miyatake de la Universidad de Nagoya, Japón, y sus colegas ahora han usado mediciones de tales lentes, combinadas con información sobre la distribución de galaxias en el espacio, para mapear la materia oscura alrededor de galaxias distantes con un corrimiento al rojo de aproximadamente 4 [1]. Informan sobre el primer análisis cosmológico utilizando galaxias con un corrimiento al rojo tan alto.

El estudio de las fluctuaciones del CMB, observadas por el satélite Planck, ha permitido acotar las propiedades del Universo con notable precisión [2]. Desde que los fotones CMB comenzaron a propagarse, hace unos 13.500 millones de años, el Universo se ha expandido mientras que las galaxias se han formado y ensamblado en estructuras cada vez más grandes. En los últimos miles de millones de años, la energía oscura ha acelerado la expansión. Los modelos cosmológicos que describen la física del Universo primitivo, teniendo en cuenta las restricciones establecidas por las medidas del CMB, predicen cómo evoluciona la materia a lo largo del tiempo. Por lo tanto, los astrónomos pueden observar la estructura a gran escala del Universo en tiempos tardíos y ver qué tan bien los datos respaldan los modelos. Esta estructura a gran escala se estudia comúnmente midiendo el efecto de lente gravitacional en las galaxias de fondo por las galaxias de primer plano o considerando el agrupamiento de galaxias, una medida del exceso de probabilidad de encontrar un par de galaxias en una separación dada en el cielo relativa a una distribución aleatoria.

Los astrónomos han encontrado algo muy interesante al usar estas observaciones para restringir la cosmología: los resultados basados ​​en datos de estructuras a gran escala sugieren que la materia no se ha agrupado tanto como indican los datos CMB del satélite Planck. [35]. El grado de aglomeración se cuantifica mediante el parámetro

𝜎8

, que es aproximadamente la amplitud de las fluctuaciones de densidad. No está claro si los diferentes valores de

𝜎8

derivados de los dos tipos de datos reflejan efectos sistemáticos desconocidos o mecanismos físicos. Pero determinar la distribución de la materia en diferentes épocas de la historia cósmica podría proporcionar una pista. Además, se ha demostrado que la combinación de diferentes observables es muy eficaz para investigar el crecimiento de las estructuras cósmicas. [3, 6, 7]. En particular, la señal de la lente gravitatoria de la luz CMB es especialmente adecuada para estudiar la estructura a gran escala del Universo con corrimientos al rojo superiores a 1, donde este efecto de lente es más fuerte y donde las galaxias de fondo son difíciles de encontrar.

Usando los datos de Planck, Miyatake y sus colegas investigaron las huellas dejadas por las galaxias de alto corrimiento al rojo en el mapa de lentes CMB. El equipo encontró una señal de lente clara producida por alrededor de 1,5 millones de galaxias de alto corrimiento al rojo conocidas como galaxias Lyman-break (LBG) que se identificaron en la encuesta del Programa Estratégico Hyper Suprime-Cam Subaru. Los investigadores compararon esta señal de lente con un modelo de distribución de materia oscura alrededor de las galaxias que depende de parámetros como la masa promedio de un halo de materia oscura. Al hacerlo, establecieron una restricción en la masa promedio del halo que es consistente con la abundancia típica de materia oscura alrededor de estos LBG.

Miyatake y sus colegas también combinaron la señal de correlación cruzada de la lente CMB y de las posiciones de los LBG con el agrupamiento galaxia-galaxia de estos objetos. Esa combinación restringe la medida en que la materia se ha esparcido y agrupado en el Universo a través de la

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parámetro. El equipo obtuvo un valor de

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que es un poco más bajo que el indicado solo por los datos de Planck, lo que representa la primera restricción en este parámetro usando LBG con un corrimiento al rojo de aproximadamente 4. Además, los investigadores demostraron la viabilidad de usar este análisis para probar diferentes modelos de energía oscura y determinar las contribuciones de materia luminosa y oscura a la masa total de estos LBG.

Varias fuentes importantes de error sistemático podrían sesgar estas estimaciones. Dichas fuentes incluyen incertidumbres en los desplazamientos al rojo LBG estimados y la contaminación de la señal de lente CMB de las galaxias de fondo y del fondo infrarrojo cósmico: radiación infrarroja emitida por galaxias polvorientas en formación de estrellas. El equipo llevó a cabo varias pruebas para estimar el impacto de estos errores y no encontró evidencia de sesgo inducido.

El trabajo de Miyatake y sus colegas transmite un mensaje muy relevante: es posible probar el crecimiento de las estructuras cósmicas cuando el Universo tenía solo mil millones de años, o menos. Este mensaje es oportuno porque los astrónomos están haciendo la transición a la próxima generación de CMB y de estudios de estructuras a gran escala. Los experimentos CMB de alta resolución, incluidos los del Observatorio Simons en Chile y del CMB-S4 en Chile y en el Polo Sur, pronto llevarán a cabo observaciones multifrecuencia, lo que permitirá reconstruir el mapa de lentes CMB con una precisión sin precedentes. Mientras tanto, los estudios de galaxias realizados por el Observatorio Vera C. Rubin, también en Chile, y el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman proporcionarán mediciones LBG sobresalientes. El análisis en la misma dirección que el estudio de Miyatake y sus colegas permitirá a los astrónomos explorar el crecimiento cósmico en una época aún oscura del Universo. Potencialmente impondrá fuertes restricciones en el misterioso sector oscuro del Universo y ayudará a descifrar la fuente de la

𝜎8

tensión.

Referencias

  1. H. Miyatake et al.“Primera identificación de una señal de lente CMB producida por 1,5 millones de galaxias en
    p.ej4

    : Restricciones en las fluctuaciones de la densidad de la materia con un alto corrimiento al rojo”, física Rev. Lett. 129061301 (2022).

  2. N. Aghanim et al., “Resultados de Planck 2018—I. Visión general y el legado cosmológico de Planck”, astrónomo astrofísica 641A1 (2020).
  3. C. Heyman et al.“KiDS-1000 Cosmology: lentes gravitacionales débiles de múltiples sondas y restricciones de agrupamiento de galaxias espectroscópicas” astrónomo astrofísica 646A140 (2021).
  4. T edredón et al.“Cosmología a partir de una estructura a gran escala: Restricción de ΛCDM con BOSS,” astrónomo astrofísica 633L10 (2020).
  5. TMC Abbott et al.“Dark Energy Survey Year 3 resultados: Restricciones cosmológicas del agrupamiento de galaxias y lentes débiles” física Revisión D 105023520 (2022).
  6. T. Giannantonio et al.“Tomografía de lente CMB con las galaxias DES Science Verification,” Lunes No. R Astron. sociedad 4563213 (2016).
  7. C. García-García et al.“El crecimiento de las perturbaciones de densidad en los últimos

    10 mil millones de años a partir de datos de estructuras tomográficas a gran escala”, J. Cosmol. astroparte física 10030 (2021).

Sobre los autores

Imagen de Gabriela Marqués

Gabriela Marques es investigadora postdoctoral en Florida State University y se unirá al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Illinois, en septiembre de 2022. Obtuvo su Ph.D. en astronomía del Observatorio Nacional, Brasil, en 2019. Su investigación se centra en sondear la cosmología utilizando CMB y datos de estructura a gran escala, incluidos análisis basados ​​en lentes CMB y lentes de galaxias débiles.

Imagen de Kevin Huffenberger

Kevin Huffenberger es profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Florida y tiene una experiencia significativa en muchas áreas del procesamiento y análisis de datos CMB.Es co-portavoz de la Colaboración CMB-S4. También es miembro de las colaboraciones del Telescopio de Cosmología de Atacama y el Observatorio Simón.


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