Mapeando los hilos invisibles de la web cósmica

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En una noche clara y oscura, el cielo sobre la Tierra brilla con los fuegos brillantes y distantes de un millón, billón, trillón de estrellas, pero la luz de las estrellas puede ser una mentirosa. De hecho, la mayor parte del Universo es oscuro, compuesto de material misterioso e invisible, cuya naturaleza es desconocida. Los objetos luminosos, como las estrellas, representan solo una pequeña fracción del hermoso Cosmos. De hecho, tan hermosas como son las estrellas danzantes, no son más que las chispas brillantes en una magdalena universal. Esto se debe a que las galaxias inimaginablemente intensas y los gigantescos cúmulos y supercúmulos de galaxias están incrustados en halos pesados ​​de una forma extraña y abundante de material que los astrónomos llaman la materia oscura, y esta materia oscura teje una enorme red de hebras invisibles a través de Spacetime. En abril de 2018, un equipo de astrónomos anunció que habían decodificado falsas distorsiones en los patrones de la luz más antigua del Universo, para mapear enormes estructuras en forma de tubo que son invisibles para los ojos humanos. Estas estructuras masivas, conocidas como filamentos, sirven como “autopistas” para entregar materia a centros densos, como los cúmulos de galaxias. Las innumerables estrellas, que iluminan estos densos cúmulos de galaxias, rastrean lo que de otra manera no podría verse: las pesadas, otras cuerdas invisibles, tejiendo la misteriosa y misteriosa Red Cósmica.

El equipo científico internacional, que incluyó investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y la Universidad de California, Berkeley del Departamento de Energía, analizó datos de estudios anteriores del cielo utilizando una tecnología sofisticada de reconocimiento de imágenes para estudiar los efectos basados ​​en la gravedad que identifican Las formas de estos filamentos transparentes. Los científicos también utilizaron modelos y teorías sobre la naturaleza de estos filamentos para ayudar a guiar e interpretar su análisis.

Publicado en la edición del 9 de abril de 2018 de la revista Nature Astronomy , el estudio detallado de estos filamentos transparentes permitirá a los astrónomos comprender mejor cómo se formó y evolucionó la Red Cósmica a través del tiempo. Esta gran construcción cósmica compone la estructura a gran escala de la materia en el Cosmos, incluida la materia oscura invisible que representa aproximadamente el 85 por ciento de la masa total del Universo.

Los astrónomos aprendieron que los filamentos, compuestos por la materia oscura, se doblan y se extienden a lo largo de cientos de millones de años luz, y los halos oscuros que albergan los grupos de galaxias son alimentados por esta red universal de filamentos. Estudios adicionales de estos filamentos masivos podrían proporcionar nuevas y valiosas ideas sobre la energía oscura, otro gran misterio del Cosmos que hace que el Universo se acelere en su expansión. Se cree que la energía oscura es una propiedad del espacio mismo.

Las propiedades de los filamentos tienen el potencial de probar teorías de la gravedad, incluida la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein (1915). Los filamentos también podrían proporcionar pistas importantes para ayudar a resolver un desajuste persistente en la cantidad de materia visible que se predice que habitará en el Cosmos, el “problema de barión faltante”.

“Por lo general, los investigadores no estudian estos filamentos directamente; observan las galaxias en las observaciones. Utilizamos los mismos métodos para encontrar los filamentos que Yahoo y Google usan para el reconocimiento de imágenes, como reconocer los nombres de los carteles de las calles o encontrar gatos en las fotografías”, dijo el Dr. . Shirley Ho comentó en un comunicado de prensa de Lawrence Berkeley Lab (LBL) del 10 de abril de 2018 . El Dr. Ho, quien dirigió el estudio, es científico senior en Berkeley Lab y profesor asociado de física Cooper-Siegel en la Universidad Carnegie Mellon. La Universidad Carnegie Mellon se encuentra en Pittsburgh, Pennsylvania.

Una misteriosa red cósmica de la oscuridad

Los filamentos de materia oscura de la Web Cósmica rodean vacíos cavernosos negros, vastos y casi vacíos , ubicados entre los filamentos transparentes y masivos que albergan una multitud de galaxias. Los cúmulos de galaxias y nodos que están unidos por largas cadenas trazan la Red Cósmica, y esta estructura a gran escala está muy bien organizada con intersecciones bulliciosas donde galaxias pululan como luciérnagas brillantes alrededor de los vacíos intensos y casi vacíos . Aunque los Vacíos están casi vacíos, podrían contener una o dos galaxias. Esto contrasta dramáticamente con los cientos de galaxias que normalmente residen dentro de grandes cúmulos galácticos.

Poco después del nacimiento del Universo, solo existen anisotropías extremadamente pequeñas causadas por fluctuaciones cuánticas en el Universo primigenio. Sin embargo, las anisotropías son cada vez más grandes, más y más grandes a través del paso del tiempo: su tamaño crece como resultado de la expansión del espacio. En física, un cuanto representa la cantidad mínima de cualquier entidad física que participa en una interacción.

Las regiones de mayor densidad en el muy antiguo Universo se colapsaron más rápidamente que las regiones de menor densidad como resultado de la fuerza despiadada de su propia gravedad poderosa. En última instancia, esto se afirma en la estructura a gran escala similar a la espuma que los astrónomos observan hoy en la Red Cósmica.

El Cosmos primordial estaba compuesto por un plasma denso y caliente compuesto de electrones y bariones (protones y neutrones). Los paquetes de luz llamados fotones rebotaban alrededor, incapaces de escapar, dentro del universo antiguo, opaco y deslumbrante. Esto se debe a que los fotones quedaron atrapados y no pudieron girar libremente por una gran distancia antes de bailar con el plasma, por lo que se encarcelaron.

Sin embargo, a medida que el Universo se expandió, el plasma se enfrió considerando alcanzar una temperatura inferior a 3000 Kelvin. Esta temperatura más fría era de una energía suficientemente baja para permitir que los electrones y fotones atrapados en el plasma antiguo se fusionen y formen átomos de hidrógeno neutros. Esta era se denomina recombinación y ocurrió cuando el Universo bebé tenía solo 379,000 años. Los fotones interactuaron en menor grado con la materia neutral. El resultado de esto fue que el Universo se volvió transparente para los fotones , permitiéndoles separarse de la materia y volar libremente a través del Universo. Esta luz de baile recién liberada ha estado deslumbrándose en Spacetime desde entonces. El camino de los fotones liberados creció hasta convertirse en el inmenso tamaño del Universo.

La radiación del Fondo de Microondas Cósmico (CMB) es la luz más antigua del Universo. Se emitió después de la era de la recombinación , y ahora está encontrando su camino hacia los telescopios de los astrónomos curiosos. Las imágenes de esta luz que perdura, viajando hacia nosotros desde hace mucho tiempo y muy lejos, nos muestran cómo era el Universo cuando era un niño pequeño de solo 379,000 años de edad. El CMB es la radiación de reliquia que queda del nacimiento del Universo del Big Bang, que se cree ocurrió hace casi 14 mil millones de años.

En las escalas más grandes, todo el Universo parece el mismo lugar donde lo observamos: muestra una apariencia similar a una espuma, burbujeante, con filamentos de materia oscura extremadamente masivos que se trenzan entre sí para tejer la misteriosa Red Cósmica. Los otros filamentos invisibles son trazados por la brillante luz emitida por las estrellas ardientes que brillan dentro de las terribles láminas de esta estructura enredada, retorcida y entrelazada. Los vacíos densos, casi vacíos y muy negros , que interrumpen esta estructura extraña y transparente en forma de red, son trazados por los deslumbrantes fuegos de innumerables estrellas. Los filamentos de la Red Cósmica se entrelazan alrededor de los Vacíos casi vacíos, creando un nudo torcido y retorcido.

Dondequiera que miremos en el Universo visible, probablemente veamos lo mismo: el mismo patrón extraño, donde galaxias brillantemente iluminadas por estrellas se ven enjambres como luciérnagas alrededor de los bordes de los Vacíos casi vacíos, pero no del todo. Esta retorcida, transparente y complicada red está abundantemente salpicada de materia tanto de la llamada clase atómica “ordinaria” como de la exótica y misteriosa no oscura “atómica”. De hecho, los observadores han encontrado que es difícil determinar si las regiones de materia luminosa y filamentos invisibles rodean los huecos negros y casi vacías, o si los vacíos en lugar rodean estos hilos filamentosos luz de las estrellas extremadamente masivas del material trenzado, misterioso. De hecho, los dos componentes están tan ineficientemente enredados entre sí que todo el edificio se asemeja a una esponja natural o, quizás, a un panal. Algunos cosmólogos científicos han sugerido que la estructura completa a gran escala del Universo puede describirse mejor como un solo filamento íntimo, moteado con luz estelar y un enorme Vacío cavernoso, con ambos torcidos entre sí en un nudo cósmico de significado.

Nuestro Universo nos presenta innumerables incógnitas. Ni siquiera podemos ver la mayor parte con nuestros ojos humanos. Los miles de millones de galaxias iluminadas por estrellas y los cúmulos y supercúmulos galácticos están incrustados en los halos masivos, masivos y transparentes de la materia oscura no atómica y exótica que atormenta a nuestro Universo con su presencia fantasmal y misteriosa. A pesar de que las cosas oscuras son invisibles para nuestros ojos, la mayoría de los cosmólogos científicos piensan que realmente existe en la naturaleza porque ejerce efectos gravitacionales observables en los objetos que se pueden ver, como estrellas, galaxias y nubes de gas brillante.

Las mediciones recientes indican que el Cosmos se compone de aproximadamente 27% de materia oscura y 68% de energía oscura . La energía oscura es incluso más misteriosa que la materia oscura , y está causando que nuestro Universo se expanda a un ritmo cada vez mayor en la dirección de su propia condenación.

Menos del 5% del Universo se compone de la materia atómica “ordinaria” mal llamada. Sin embargo, esta forma familiar de materia visible explica literalmente todos los elementos enumerados en la Tabla periódica. A pesar de que la cantidad de materia atómica es extremadamente pequeña en comparación con los componentes invisibles y “oscuros” del Universo, representa literalmente todo el Universo que los seres humanos en la Tierra encuentran familiar. También es materia de estrellas, y las estrellas son responsables de crear, en sus hornos de fusión nuclear, todos los elementos atómicos que hicieron posible la vida en nuestro planeta, y probablemente en otras partes del Cosmos.

La cosmología científica moderna comenzó cuando Albert Einstein aplicó sus dos teorías de Relatividad – Especial (1905) y General (1915) – para explicar la forma en que funciona el Universo. A principios del siglo XX, los científicos pensaron que nuestra Galaxia de la Vía Láctea era todo el Universo, y que el Universo mismo era tanto estático como eterno. Pero ahora sabemos de otra manera, o, al menos, creemos que sabemos. Hay miles y miles de millones de galaxias, y nuestro Universo es dinámico, no estático. El Universo comenzó hace aproximadamente 13.8 mil millones de años en la expansión exponencial del Big Bang, donde pasó de tamaño microscópico a tamaño macroscópico en la fracción más pequeña de un segundo. Algo, no sabemos exactamente qué: hizo que el parche microscópico se convirtiera en el Universo que supera esta inflación desbocada. Este parche original, que era demasiado pequeño para que lo viera un ser humano, tan pequeño que no era casi nada, pero no necesariamente, nada, era, de hecho, tan caliente y fuerte que todos nosotros somos y todo lo que sabremos, emergió de ella. Debido a que los científicos ahora piensan que nuestro Cosmos tuvo un comienzo definitivo, también podría llegar a su fin.

Sin embargo, algunos otros cosmólogos científicos especulan que puede haber habido algo por descubrir y, a veces, por descubrir, que existía antes del Big Bang. Lo que pudo haber sido esto es puramente una cuestión de especulación, al menos en este punto. El Universo neonatal estaba lleno de radiación extremadamente energética, un mar turbulento lleno de fotones. Todo el Universo primordial brillaba brillantemente como la superficie de nuestra Estrella, el Sol. Lo que observamos ahora, casi 14 mil millones de años más tarde, es el fracaso, desvaneciéndose, en gran medida expandido y en expansión, como consecuencia de ese brillante principio primordial. Cuando nuestro Universo se expandió a su inmenso tamaño actual, los fuegos de su brillante cumpleaños se enfriaron. Ahora observamos desde nuestro pequeño planeta rocoso y oscuro mientras nuestro Universo crece cada vez más, más y más frío, más oscuro y más oscuro, desvaneciéndose como la sonrisa inquietante del Gato de Cheshire en la dirección de su propia muerte por calor.

La luz mas antigua

La Dra. Shirley Ho y las observaciones de su equipo sobre la luz más antigua del Universo usaron datos obtenidos del Estudio espectroscópico de oscilación de Baryon (BOSS) , una encuesta del cielo en la Tierra que capturó la luz emitida por aproximadamente 1,5 millones de galaxias para estudiar la expansión del Universo y la distribución de la materia en el Universo que se había desencadenado por la propagación de las ondas sonoras (oscilaciones acústicas bariónicas) , que se propagaba a través del espacio-tiempo en su nacimiento.

El equipo de investigación de BOSS creó un catálogo de probables estructuras de filamentos que conectaban grupos de materia, y los científicos utilizaron esto para su estudio de investigación más reciente. El equipo del Dr. Ho también utilizó mediciones precisas basadas en el espacio del CMB , la señal de reliquia casi uniforme de la primera luz del universo recién nacido. Aunque esta firma de luz es muy similar en todo el Universo, hay fluctuaciones regulares que se han mapeado en encuestas anteriores.

En este estudio reciente, los científicos se centraron en las fluctuaciones con patrones en el CMB . También utilizaron sofisticados algoritmos de supercomputación para obtener la huella de los filamentos de materia oscura causados ​​por distorsiones basadas en la gravedad en el CMB. Estas distorsiones se conocen como efectos de lente débiles y son causados ​​por la luz CMB que viaja a través de la materia.

El fenómeno de la desviación de la luz en presencia de objetos masivos se denomina lente gravitacional. Este efecto se midió por primera vez hace un siglo durante un eclipse solar, y esto reflejó que las posiciones obvias de las estrellas en el cielo cambian como resultado de la desviación de la luz por el campo gravitatorio de nuestro Sol. Esta fue la primera prueba exitosa de la Teoría de la Relatividad General de Einstein y su predicción de lentes gravitacionales. En escalas extragalácticas, galaxias, cúmulos de galaxias y la estructura filamentosa de la Red Cósmica pueden servir como lentes gravitacionales. La gravedad de esos objetos extragalácticos hace que las imágenes de galaxias de fondo muy remotas se distancian por un objeto masivo colocado en primer plano (la lente ). Si las distorsiones son muy pequeñas, no se pueden observar en el caso de galaxias individuales. Sin embargo, pueden determinarse estadísticamente, promediando un gran número de galaxias. La lente débil es una poderosa herramienta natural que los astrónomos pueden usar para medir las masas de una variedad de objetos en el Universo. La lente gravitacional es muy sensible a la presencia de materia oscura , y se puede usar para medir el perfil de masa de las galaxias en radios grandes, donde la luz remota que viaja de las estrellas y el gas es demasiado débil para ser observada. Puede rastrear la distribución de masa de los grupos de galaxias, y en escalas aún más grandes, las lentes débiles pueden revelar distorsiones de galaxias. Por esta razón, se puede usar un lente débil para medir las propiedades de la Web Cósmica. Al comparar las propiedades estadísticas del patrón de distorsión con los modelos teóricos, los cosmólogos científicos pueden estudiar la historia de expansión del Universo, así como medir los componentes del Cosmos, incluida la misteriosa materia oscura y la energía oscura. Por lo tanto, w lente EAK se puede utilizar para estudiar la evolución de la estructura en el Universo, y también tiene el potencial para sondear el origen misterioso de la expansión acelerada del espacio-tiempo, así como distinguir entre la energía oscura y ciertas teorías de gravedad modificada.

Dado que las galaxias están ubicadas en las regiones del Universo que son las más densas, la débil señal de lente proveniente de la desviación de la luz CMB es más fuerte que esas partes. Debido a que la materia oscura reside en los halos galácticos , se sabe que viaja desde esas áreas más densas en los filamentos de la Red Cósmica.

“Sabíamos que estos filamentos también deberían causar una desviación del CMB y también producirían una señal de lente gravitacional débil medible”, comentó Siyu He en el comunicado de prensa de LBL del 10 de abril de 2018 . Él y los colegios utilizaron técnicas estadísticas para identificar y comparar las “crestas” (o puntos de mayor densidad) que las teorías existentes indicaban el punto de la presencia de los filamentos de la Red Cósmica . Él es el estudiante graduado del Dr. Ho, y es de la Universidad Carnegie Mellon. Actualmente se encuentra en Berkeley Lab y también está afiliada a UC Berkeley.

“No solo estábamos tratando de ‘conectar los puntos’, estábamos tratando de encontrar estas crestas en la densidad, los puntos máximos locales en la densidad”, agregó. Luego, los científicos verificaron sus hallazgos con otros datos de grupos de filamentos y galaxias, y con lo que se llaman simulacros (filamentos simulados basados ​​en observaciones y teorías). Los científicos utilizaron grandes simulaciones cosmológicas generadas en el Centro de Computación Científica de Investigación de Energía Nacional de Berkeley (NERSC) , por ejemplo, para verificar errores en sus mediciones.

Los filamentos de la web cósmica pueden cambiar las conexiones y la forma a lo largo de cientos de millones de años. Las dos fuerzas de combate de la fuerza de gravedad y la expansión del Universo pueden servir para acortar o alargar estos masivos filamentos en forma de banda.

“Los filamentos son esta parte integral de la Red Cósmica , aunque no está claro cuál es la relación entre la materia oscura y los filamentos”, y esa fue una motivación principal para el estudio, comentó la Dra. Simone Ferraro en el 10 de abril de 2018 LBL Presione soltar. El Dr. Ferraro es uno de los coautores del estudio y becario posdoctoral de Miller en el Centro para Física Cosmológica de la Universidad de Berkeley .

Se espera que los nuevos datos de los experimentos existentes y los estudios del cielo de la próxima generación, como el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) liderado por el Laboratorio Berkeley, actualmente en construcción en el Observatorio Nacional Kitt Peak en Arizona, proporcionen información aún más detallada sobre estos eventos masivos. Filamentos invisibles, añadió el Dr. Ferraro.

Los científicos también observaron que este importante paso para descubrir las ubicaciones y formas de los filamentos invisibles debería ser importante para futuros estudios enfocados que intentan identificar qué tipos de gases se arremolinan dentro de los filamentos, las temperaturas de estos gases y la forma en que Las partículas entran y luego se mueven dentro de los filamentos.

Siyu He dijo en el comunicado de prensa de LBL del 10 de abril de 2018 que resolver la estructura del filamento también puede proporcionar pistas importantes relacionadas con las propiedades y los contenidos de los vacíos en el espacio alrededor de los filamentos, y también ayudar con otras teorías que son modificaciones de la relatividad general. “, explicó.

“También podemos usar estos filamentos para restringir la energía oscura; su longitud y anchura pueden decirnos algo acerca de los parámetros de la energía oscura “, señaló la Dra. Shirley Ho en el comunicado de prensa de LBL del 10 de abril de 2018 .

El Dr. Shadab Alam, investigador de la Universidad de Edimburgo y del Observatorio Real de Edimburgo, Reino Unido; y el Dr. Yen-Chi hen, profesor asistente en la Universidad de Washington (Seattle), también participó en el estudio.

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