La distancia a las galaxias, medida con una precisión del 1%

"Ahora conozco el tamaño del universo mejor de lo que conozco el tamaño de mi casa", dice David Schlegel, físico del Lawrence Berkeley National Laboratory (en California, EE UU). "No hay muchas cosas que conozcamos con una precisión del 1%". Él lidera el equipo internacional que ha logrado determinar con esa precisión del 1% la distancia a galaxias lejanas (a más de 6.000 millones de años luz). El logro debe permitir avanzar en la investigación de la energía oscura, esa misteriosa componente del cosmos que provoca la aceleración de su expansión y que nadie sabe qué es. Descubierta esa aceleración, y ya con un premio Nobel por ello, se trata de una de las mayores incógnitas de la física y la cosmología actualmente.

El proyecto BOSS (Baryon Oscillation Spectrocopic Survey), en el que participan científicos de varias instituciones españolas, ha presentado este miércoles esas medidas de alta precisión en la reunión anual de la Sociedad Americana de Astronomía que se celebra en National Harbor (Maryland) y se han presentado para su publicación en varios artículos en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

"Hace 20 años, los astrónomos discutían sobre estimaciones (de la escala del universo) divergentes hasta en un 50%", continúa Schlegel en un comunicado del laboratorio de Berkeley. "Hace cinco años, nosotros refinamos esa incertidumbre hasta un 5% y hace un año, hasta el 2%; la precisión del 1% será el estándar durante mucho tiempo".

Los astrónomos de BOSS, uno de los proyectos del rastreo digital del cielo Sloan (SDSS-III en sus siglas en inglés) han utilizado un telescopio en el Observatorio de Apache Point, en Nuevo México, para obtener espectros de la luz de más de un millón de galaxias situadas a distancias de hasta 6.000 millones de años luz de la Tierra. El análisis presentado hoy por el equipo incluye los datos de 1.277.503 galaxias del cielo del hemisferio Norte. Cuando esté completo el proyecto, señalan los investigadores, tendrán los datos de 1,3 millones de galaxias, más de 160.000 cuásares y miles de otros objetos celestes.

En el proyecto participan científicos de varias instituciones españolas

"Ves algo en el cielo... ¿A qué distancia está?", apunta Daniel Eisenstein, astrónomo 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 astronomía observacional", recalca.

Las distancias a los planetas del Sistema Solar se pueden medir con gran precisión usando radares, pero para objetos más distantes los astrónomos deben utilizar métodos menos directos. Solo unos pocos cientos de estrellas y un pequeño número de cúmulos estelares están lo suficientemente cerca como para tener distancias medidas con una precisión del 1%. Para grandes distancias en el universo, los astrónomos 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 cómo se están alejando por la expansión del universo, estiman su distancia.

Pero el equipo de BOSS hace un enfoque diferente. BOSS mide las llamadas oscilaciones acústicas de bariones (BAO, por sus siglas en inglés), un término difícil para los no especialistas pero que conecta con la infancia del universo. Esas oscilaciones son "sutiles ondulaciones periódicas impresas en la distribución de las galaxias en el cosmos", explican los físicos del Instituto de Física Teórica (IFT), de la Universidad Autónoma de Madrid y el CSIC, miembros del equipo internacional. "Estas ondulaciones son vestigios de ondas de presión que se movieron a través del plasma del universo temprano, que era tan caliente y denso que las partículas de luz, los fotones, estaban fuertemente acopladas a los protones y neutrones (bariones) que conforman los núcleos de los átomos". El tamaño de esas ondulaciones "se congeló" al enfriarse el universo en expansión y bajar su densidad, y "su tamaño fijo puede ser usado como metro patrón 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 artículos de BOSS ahora presentados, junto con Francisco Prada y Claudia Scoccola. El tamaño de esas ondulaciones "se traduce en una distancia preferente entre galaxias y medimos la separación de cada par de ellas para determinar esta distancia de manera estadística", añade Chuang.

"Determinar distancias es un reto fundamental de la astronomía observacional" Daniel Eisenstein, astrónomo 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 científicos de Berkeley. "La acumulación regular de galaxias deriva directamente de las ondas de presión que había en aquel plasma caliente primitivo", añaden.

Unos 380.000 años después del Big Bang, aquel plasma se había enfriado, la temperatura del universo había bajado lo suficiente como para que la luz, los fotones, se liberara de su acoplamiento con las partículas de materia, y el cosmos se hizo transparente y siguió su expansión. El universo tiene ahora 13.800 millones de años, según las últimas medidas realizadas con el telescopio "Planck" de la Agencia Europea del Espacio (ESA), que ha determinado asimismo la composición del cosmos: el 4,9% es materia corriente, el 26,8% es materia oscura y el 68,3% es energía oscura.

Los científicos 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 cálculos necesarios para determinar cómo esta medida de BOSS de la distancia promedio a estas galaxias afecta a nuestro conocimiento del contenido de la materia y a la energía oscura del universo. "Los resultados de estos cálculos restringen los posibles valores de los parámetros que describen nuestro universo, como son su expansión en el momento presente, el contenido de materia oscura o la curvatura del universo", señala Cuesta. "Estos resultados son complementarios a los obtenidos con otras mediciones".

"Las medidas de precisión de distancias en el universo incrementan radicalmente nuestro conocimiento de las propiedades cosmológicas fundamentales, incluyendo cómo la energía oscura acelera la expansión del universo", recalcan los científicos estadounidenses de BOSS.

Los resultados de este proyecto han sentado las bases para el proyecto internacional DESI, que pretende realizar un mapa 3D aún más grande y más ambicioso, en el que España está involucrada en el desarrollo de su instrumentación. En DESI participan 50 instituciones y cartografiará 25 millones de galaxias y más de tres millones de cuásares, comenta Prada, que lidera la participación española en este proyecto.