Medida por primera vez la expansión del Universo Joven

Astrónomos del Sloan Digital Sky Survey han utilizado 140.000 cuásares distantes para medir la velocidad de expansión del Universo cuando éste poseía sólo una cuarta parte de su edad actual. Esta es la mejor medida de la tasa de expansión en cualquier época en los últimos 13.000 millones de años.

El  Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), el mayor componente Sloan Digital Sky Survey (SDSS-III), fue pionero en la técnica de medición de la estructura del Universo joven mediante el uso de cuásares para mapear la distribución de gas de hidrógeno intergaláctico. Ahora, las nuevas observaciones de BOSS de esta estructura fueron presentadas en la reunión de abril de 2014 de la Sociedad Americana de Física en Savannah, GA.

Estos últimos resultados combinan dos métodos diferentes de uso de quásares y gas intergaláctico para medir la velocidad de expansión del Universo. El primer análisis, realizado por Andreu Font-Ribera (Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley) y sus colaboradores, compara la distribución de cuásares con la distribución de gas de hidrógeno para medir distancias en el Universo. Un segundo equipo de análisis dirigido por Timothée Delubac (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza) se centró en los patrones en el propio gas de hidrógeno para medir la distribución de la masa del Universo joven. Juntos los dos análisis de BOSS establecen que, hace 10.800 millones de años, el Universo se estaba expandiendo el uno por ciento cada 44 millones de años.

“Si miramos hacia atrás al Universo cuando las galaxias estaban tres veces más cerca de lo que están hoy en día, nos gustaría ver que un par de galaxias separadas por un millón de años-luz sería la media, a la velocidad que el Universo se expandía; 68 kilómetros por segundo”, dice Font-Ribera.

Delubac explica que “Hemos medido la velocidad de expansión del Universo joven con una precisión sin precedentes de 2 por ciento.” La medición de la velocidad de expansión del Universo en toda su historia es clave para determinar la naturaleza de la energía oscura que es responsable de causar este tipo de expansión y su aumento en los últimos 6.000 millones de años. “Al sondear el universo cuando tenía sólo una cuarta parte de su edad actual, BOSS ha colocado un precedente fundamental para comparar con las mediciones de expansión más recientes, y ver como la energía oscura ha tomado el control.

BOSS determina la tasa de expansión en un momento dado en el Universo mediante la medición del tamaño de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO), una firma impresa en la forma en que la materia se distribuye, como resultado de las ondas de sonido en el Universo temprano. Esta huella es visible en la distribución de las galaxias, quásares, e hidrógeno intergaláctico en todo el cosmos.

“Hace tres años, BOSS utilizó 14.000 cuásares para demostrar que podíamos hacer los mayores mapas en 3D del Universo”, dice David Schlegel (Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley), investigador principal de BOSS. “Hace dos años, con 48.000 cuásares, lo primero que detectamos fueron oscilaciones acústicas de bariones en estos mapas. Ahora, con más de 140.000 quasares, hemos hecho medidas muy precisas de BAO.”

A medida que la luz de un cuásar distante pasa interactua con el gas hidrógeno distribuido por todo el Universo y las zonas de mayor densidad absorben más luz. Cada zona o parche absorbe la luz a partir del espectro del cuásar en una longitud de onda característico del hidrógeno neutro. Como se expande el Universo, el espectro del quásar está extendido, y cada zona posterior deja su marca de absorción en una longitud de onda relativa diferente. Finalmente, BOSS observa el espectro del quásar en la Tierra por BOSS, que contiene las firmas de todos los parches encontrados por la luz del quásar. Los astrónomos miden entonces a partir del espectro del quásar lo mucho que el Universo se ha expandido ya que la luz pasa a través de cada parche de hidrógeno.

Con bastantes espectros de cuásares, lo suficientemente cerca, la posición de las nubes de gas se puede mapear en tres dimensiones. BOSS determina la tasa de expansión mediante el uso de estos mapas para medir el tamaño del patrón BAO en diferentes épocas del tiempo cósmico. Estas nuevas mediciones proporcionan datos clave para los astrónomos que buscan la naturaleza de la energía oscura, postulada como responsable de estar impulsando el aumento de la tasa de expansión del Universo.

David Schlegel comenta que cuando BOSS estaba comenzando su labor, se sugirieron medidas de precisión que utilizabn cuásares y el llamado bosque Lyman-Alfa, pero “algunos de nosotros teníamos miedo de que no funcionaría. Estábamos equivocados. Nuestras mediciones de precisión son incluso mejor de lo que el mayor optimista hubiera esperado”.

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