Solución “elegante” revela cómo el Universo obtuvo su estructura

Pasadena, California— El universo está lleno de miles de millones de galaxias—pero su distribución en el espacio está lejos de ser uniforme. ¿Por qué vemos tantas estructuras en el universo hoy y cómo se formó y creció todo?

Una encuesta de decenas de miles de galaxias, realizada durante 10 años utilizando el telescopio de Magallanes Baade perteneciente al Observatorio Las Campanas de Carnegie en Chile, proporcionó un enfoque para responder a este misterio fundamental. Los resultados, liderados por Daniel Kelson, de Carnegie, fueron publicados en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

¿Cómo describes lo indescriptible? Pregunta Kelson. “Adoptando un enfoque totalmente nuevo del problema”.

“Nuestra táctica proporciona nuevos —e intuitivos— conocimientos sobre cómo la gravedad impulsó el crecimiento de la estructura desde el universo temprano”, dijo Andrew Benson, co-autor de la investigación. “Esta es una prueba directa basada en la observación de uno de los pilares de la cosmología”.

La encuesta Carnegie-Spitzer-IMACS Redshift fue diseñada para estudiar la relación entre el crecimiento de galaxias y el medio ambiente circundante durante los últimos 9 mil millones de años, cuando las galaxias modernas comenzaban a definirse.

Las primeras galaxias se formaron unos pocos cientos de millones de años luego del Big Bang, cuando el Universo comenzó como una caliente y turbia sopa de partículas extremadamente energéticas. A medida que este material se expandió hacia afuera desde la explosión inicial, se enfrió y las partículas se unieron en gas de hidrógeno neutro. Algunos eran más densos que otros y, finalmente, su gravedad superó la trayectoria exterior del universo y el material colapsó hacia adentro, formando los primeros grupos de estructura en el cosmos.

Las diferencias de densidad que permitieron que las estructuras grandes y pequeñas se formaron en algunos lugares y no en otros ha sido un tema de fascinación de larga data. Pero hasta ahora, las habilidades de los astrónomos para modelar el crecimiento de la estructura en el universo en los últimos 13 mil millones de años se enfrentaron a limitaciones matemáticas.

“Las interacciones gravitacionales que ocurren entre todas las partículas en el universo son demasiado complejas para explicarlas con matemáticas simples”, dijo Benson.

Entonces, los astrónomos usaron aproximaciones matemáticas —lo que comprometió la precisión de sus modelos— o extensas simulaciones de computador que modelan numéricamente todas las interacciones entre galaxias, pero no todas las interacciones ocurren entre todas las partículas, lo que se consideró demasiado complicado.

“Un objetivo clave de nuestra encuesta fue contar la masa presente en las estrellas encontradas en una enorme selección de galaxias distantes y luego usar esa información para formular un nuevo enfoque para comprender cómo se formó la estructura en el universo”, explicó Kelson.

El equipo de investigación —que también incluye a los científicos de Carnegie Louis Abramson, Shannon Patel, Stephen Shectman, Alan Dressler, Patrick McCarthy, y John S. Mulchaey, como también a Rik Williams, ahora de Uber Technologies— demostró por primera vez que el crecimiento individual de las proto-estructuras puede calcularse y luego promediarse en todo el espacio.

Esto reveló que los grupos más densos crecieron más rápido mientras que los grupos menos densos crecieron más lentamente.

Los científicos determinaron las distribuciones originales y las tasas de crecimiento de las fluctuaciones de densidad, que eventualmente se convertirían en las estructuras a gran escala que determinaron las distribuciones de galaxias que vemos hoy.

En esencia, este trabajo proporcionó una descripción simple, pero precisa, de por qué y cómo las fluctuaciones de densidad crecen de la manera en que lo hacen en el universo real, así como también lo hacen en el trabajo basado en la computación que sustenta nuestra comprensión de la infancia del universo.

"Y es tan simple, con una verdadera elegancia", agregó Kelson.

Los hallazgos no habrían sido posibles sin la asignación de un número extraordinario de noches de observación en Las Campanas.

"Muchas instituciones no habrían tenido la capacidad de asumir un proyecto de este alcance por sí mismas", dijo el Director de Observatorios John Mulchaey. "Pero gracias a nuestros telescopios Magallanes, pudimos ejecutar esta encuesta y crear este enfoque novedoso para responder una pregunta clásica".

“Si bien no hay duda de que este proyecto requirió los recursos de una institución como Carnegie, nuestro trabajo tampoco podría haber sucedido sin la enorme cantidad de imágenes infrarrojas adicionales que pudimos obtener en Kitt Peak y Cerro Tololo, que son parte del Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Infrarroja Óptica de la NSF ”, agregó Kelson.