Los cuásares mapean la materia oscura a lo largo de 10.000 millones de años luz

¿Cómo ayudan los cuásares a mapear la materia oscura?

Los cuásares ayudan a mapear la materia oscura actuando como trazadores luminosos que residen dentro de halos invisibles masivos, revelando la estructura gravitacional subyacente del universo. Debido a que estos agujeros negros supermasivos se congregan en regiones de alta densidad, su agrupamiento espacial permite a los astrónomos inferir la distribución de la materia oscura a lo largo de miles de millones de años luz, a pesar de que la materia misma no emite luz.

La Estructura a gran escala del universo se describe a menudo como una "red cósmica", una compleja red de filamentos y nodos donde se concentra la materia. Mapear esta red es una tarea monumental porque la gran mayoría de su masa consiste en materia oscura, la cual no interactúa con la radiación electromagnética. Para superar esto, los investigadores Guilhem Lavaux, Jens Jasche y Arthur Loureiro utilizaron el catálogo de cuásares Quaia, recientemente publicado. Al tratar a los cuásares como "faros cosmológicos", el equipo pudo reconstruir el "esqueleto" tridimensional del universo a través de una extensión récord de 10.000 millones de años luz.

Los cuásares son particularmente útiles para este tipo de reconstrucción debido a su extrema luminosidad, lo que permite verlos a través de vastos rangos de "desplazamiento al rojo" (redshift). Este estudio aprovechó los datos de la nave espacial Gaia para crear dos muestras principales: la muestra "Clean" (G < 20,0) y la muestra "Deep" (G < 20,5). Estas muestras proporcionan una amplia cobertura de todo el cielo que es esencial para comprender cómo se ha agrupado la materia a lo largo del tiempo cósmico. Al analizar el "sesgo de los cuásares" (quasar bias) —la relación matemática entre dónde aparecen los cuásares y dónde residen las mayores concentraciones de materia—, los investigadores pudieron visualizar el andamiaje invisible del cosmos a una escala sin precedentes.

¿Cómo contribuye la misión Gaia a la cosmología?

La misión Gaia contribuye a la cosmología proporcionando datos astrométricos precisos de miles de millones de objetos celestes, lo que permite la creación de mapas detallados en 3D del universo. Aunque originalmente fue diseñada para mapear la Vía Láctea, las capacidades de observación de todo el cielo de Gaia permiten ahora a los cosmólogos vincular las estructuras galácticas locales con la Estructura a gran escala del universo y poner a prueba teorías fundamentales de la física.

Aunque Gaia es conocida principalmente por su impacto revolucionario en la arqueología galáctica, su capacidad para identificar y categorizar millones de cuásares ha abierto nuevas puertas para la cosmología a nivel de campo. El catálogo Quaia, derivado de los datos de magnitud de banda óptica de Gaia, ofrece una ventaja única: proporciona una visión consistente de todo el cielo que los telescopios terrestres a menudo tienen dificultades para igualar debido a la interferencia atmosférica y al campo de visión limitado. Esta cobertura exhaustiva es vital para la inferencia a nivel de campo, un método que reconstruye todo el campo de densidad en lugar de limitarse a calcular estadísticas promedio.

Para procesar este enorme conjunto de datos, el equipo de investigación empleó el algoritmo BORG (Bayesian Origin Reconstruction from Galaxies). Este sofisticado marco utiliza un "modelo directo" basado en la física para simular cómo evolucionó el universo. La metodología incorpora varios factores críticos:

• Teoría de perturbaciones lagrangianas: Un marco matemático utilizado para modelar el movimiento de la materia desde el universo temprano hasta la actualidad.
• Efectos de cono de luz: Ajustes que tienen en cuenta el hecho de que vemos los objetos distantes como eran en el pasado, no como son hoy.
• Distorsiones en el espacio de desplazamiento al rojo: Correcciones por el desplazamiento aparente de los objetos causado por sus velocidades peculiares hacia o desde nosotros.
• Efectos de selección del muestreo: Contabilización de los "cortes del cielo" y la contaminación de primer plano para garantizar que los datos sean representativos de la verdadera distribución cósmica.

¿Cómo era el universo en el momento del Big Bang?

En el momento del Big Bang, el universo era un plasma increíblemente caliente, denso y casi uniforme donde la materia y la energía eran indistinguibles. Las fluctuaciones cuánticas microscópicas en este estado primordial sirvieron como "semillas" para todas las estructuras futuras, colapsando finalmente bajo la gravedad para formar los halos de materia oscura y las galaxias observadas en la red cósmica moderna.

Uno de los logros más profundos del algoritmo BORG es su capacidad para realizar una "ingeniería inversa" a escala cósmica. Al aplicar este algoritmo al catálogo Quaia, Lavaux, Jasche y Loureiro pudieron reconstruir las condiciones iniciales del universo, creando esencialmente un mapa de cómo se veía el cosmos poco después del Big Bang. Este proceso implica rastrear las trayectorias de las partículas hacia atrás en el tiempo, teniendo en cuenta la expansión del espacio y la atracción gravitatoria de las estructuras en evolución.

Las reconstrucciones resultantes abarcan un volumen comóvil de (10h⁻¹ Gpc)³ con una resolución espacial de 39,1 h⁻¹Mpc. Esto representa la mayor reconstrucción a nivel de campo del universo observable hasta la fecha. Al cerrar la brecha entre las semillas primordiales del universo temprano y la distribución actual de materia oscura, el estudio proporciona una narrativa continua de la evolución cósmica. Los investigadores validaron estos mapas mediante la correlación cruzada con los datos de lentes del CMB de Planck, detectando una señal con una significación de aproximadamente 4σ, lo que confirma que sus modelos 3D reflejan fielmente la distribución real de la masa en el universo.

La importancia de la inferencia a nivel de campo

La inferencia a nivel de campo representa un cambio en la forma en que estudiamos el cosmos. Los métodos tradicionales suelen basarse en funciones de correlación de dos puntos, que analizan la distancia promedio entre pares de galaxias. Sin embargo, la inferencia a nivel de campo, tal como se utiliza en este estudio, intenta reconstruir la densidad específica en cada punto del espacio. Esto proporciona un producto de datos de alta fidelidad, que incluye mapas a posteriori de las condiciones iniciales, la densidad de materia oscura actual y los campos de velocidad. Estos mapas permiten a los científicos ver no solo las propiedades promedio del universo, sino la "red" específica que conecta a las galaxias a lo largo de 10.000 millones de años luz.

Implicaciones futuras y energía oscura

Las implicaciones de este mapa 3D van mucho más allá de la mera visualización; proporcionan una nueva herramienta para investigar los misterios de la energía oscura. Al comprender el crecimiento preciso de las estructuras cósmicas durante los últimos 10.000 millones de años, los científicos pueden medir mejor cómo la energía oscura ha acelerado la expansión del universo. El marco establecido en este trabajo está diseñado para ser escalable, lo que significa que puede aplicarse a futuros muestreos de campo amplio de próximas misiones como Euclid o el Observatorio Vera C. Rubin.

En resumen, el uso del catálogo de cuásares Quaia y del algoritmo BORG ha transformado nuestra capacidad para ver lo invisible. Al rastrear las trayectorias de los faros más distantes del cielo, los investigadores han mapeado el esqueleto de materia oscura de nuestro universo, proporcionando una ventana al pasado que se remonta a los albores de los tiempos. Este trabajo no solo ofrece un mapa de alta resolución del cosmos actual, sino que también establece una metodología robusta para todos los intentos futuros de descifrar la historia del Big Bang y la evolución de la estructura a gran escala.