BOSS? SDSS3

Un grupo de investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) – CSIC/Universidad de Valencia- lidera un estudio que determina la restricción más precisa obtenida hasta la fecha de la masa de los neutrinos con datos de distribución de galaxias en el Universo. La principal conclusión es que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos que existen no representa más del 6 por mil del total de la masa-energía del cosmos, de donde se deduce que la masa de esta partícula no debe exceder 0,26 electronvoltios, dos millones de veces inferior a la masa del electrón.

Determinar con precisión la influencia de la masa de los neutrinos en el Universo es fundamental para estudiar su evolución, ya que hasta hace poco se creía que estas partículas carecían de masa y, por tanto, no aparecía en los modelos cosmológicos. Este análisis representa un avance en la comprensión de las propiedades de estas partículas a partir de mediciones cosmológicas.

El análisis se ha enviado para su publicación en Astrophysical Journal y se basa en datos obtenidos de una selección de 900.000 galaxias luminosas, que pueblan la mayor parte del espacio y que son muy utilizadas para estudiar la distribución espacial de galaxias. Esta selección procede de las galaxias analizadas hasta ahora por el experimento BOSS, que forma parte del Sloan Digital Sky Survey (SDSS)-III. SDSS se inició en 2000 y desde sus comienzos ha examinado más de un cuarto del cielo nocturno y producido el mapa en color del Universo en tres dimensiones más grande jamás realizado.

Con la información de la distribución de las galaxias, obtenida por la colaboración internacional BOSS usando un telescopio situado en el Observatorio Apache Point en New Mexico, Estados Unidos, se han producido los cálculos más precisos hasta la fecha de cómo la materia se agrupó en cúmulos durante las etapas intermedias de la evolución del Universo. Además, en un análisis liderado por los investigadores del Instituto de Física Corpuscular Roland de Putter, Olga Mena y Elena Giusarma, se han utilizado estos datos para producir el estudio más preciso realizado hasta la fecha de la masa de los neutrinos en relación al total del Universo.

Los neutrinos son partículas elementales muy ligeras que apenas interactúan con la materia. Un neutrino de los tres tipos que existen puede atravesar 200 Tierras y permanecer inalterado. Por eso, su detección es extremadamente difícil. Hasta que se midió lo que se conoce como “oscilación de los neutrinos”, la transformación de un tipo a otro durante su recorrido, se pensó que no tenían masa. Esta, sin embargo, sigue sin conocerse. Además, aceptar que los neutrinos tienen masa implica grandes cambios en los modelos utilizados para considerar la evolución del Universo, ya que es una de las partículas más abundantes en el cosmos.

El análisis realizado por el grupo de investigación español ha descubierto que la masa de los neutrinos no representa más del seis por mil del contenido total de masa y energía en el Universo. Este parámetro está directamente relacionado con la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos que hay, cuya medida aún no se ha realizado. Así, el grupo del IFIC ha determinado que el límite superior para la suma de las masas de los neutrinos debe ser inferior a 0,26 eV (electronvoltios). Para comparar, un electrón tiene una masa de unos 511 keV (kiloelectonvoltios), es decir 511.000 eV, o sea, que un electrón pesa dos millones de meces más que los tres neutrinos juntos.

“Esta es la restricción más precisa hasta la fecha a la masa de los neutrinos con datos de distribución de galaxias, y representa un gran paso en la comprensión de propiedades de las partículas a partir de mediciones cosmológicas”, explica Olga Mena. “Por experimentos de física de partículas sabemos que el valor mínimo de la masa total del neutrino es solo cinco veces menor que el límite superior que hemos encontrado. Nuestros resultados muestran que se puede alcanzar una detección cosmológica de la masa del neutrino, lo cual es sumamente interesante”, argumenta Roland de Putter, también en la Universidad de Barcelona.

Estos resultados fueron presentados el 11 de enero de 2012 en la reunión anual de la Sociedad Astronómica Americana, que se celebró del 8 al 12 de enero en Austin (Texas). El grupo del IFIC de Valencia participa también en otros dos estudios realizados con datos del experimento BOSS. Uno de ellos utiliza la distribución de estas galaxias para determinar con precisión los parámetros que describen lo que se llama “Universo Lambda CDM”, un universo con geometría plana, una constante cosmológica y materia oscura fría. Esta constante cosmológica representaría la energía oscura responsable de la expansión acelerada del Universo.

El otro trata de la llamada “Oscilación Acústica Bariónica”, una señal que se puede utilizar para medir con precisión la historia de la expansión del Universo. La oscilación acústica bariónica es una reliquia de las ondas de sonido que viajaron por el Universo temprano cuando era una “sopa” de partículas (bariones y fotones) caliente, unos 300.000 años después del Big Bang. Las diferencias en la densidad de esta “sopa caliente” que crearon las ondas de sonido dejaron su firma como variaciones estadísticas en la distribución de la luz, detectables como variaciones de temperatura en el Fondo Cósmico de Microondas y en la distribución de los bariones, detectable en los cartografiados de galaxias a gran escala.

El experimento BOSS busca esta señal de Oscilación Acústica midiendo el “corrimiento al rojo” (cambio en la longitud de onda de la luz que emiten las estrellas que sirve para medir su distancia) del espectro individual de millones de galaxias con técnicas de espectroscopía. Para cuando finalice el proyecto, en 2014, se pretende haber analizado 1,5 millones de galaxias luminosas rojas, y para 2012 se prevén los primeros resultados utilizando esta técnica. Mientras tanto, el estudio fotométrico del SDSS utiliza muchas de las mismas galaxias rojas analizadas por BOSS, aunque deduciendo su corrimiento al rojo usando fotometría, es decir, determinando su brillo en cinco colores distintos.

“Es una oportunidad única, que nos permitirá conocer mucho mejor la naturaleza de la energía oscura, y nos dirá si es sólo una constante cosmológica o es otra cosa, como un campo escalar o una modificación de la gravedad a escalas ultra-grandes de longitud”, dice Olga Mena. Entre las instituciones participantes en la tercera fase del SDSS, en la que se incluye el experimento BOSS, está el Instituto de Astrofísica de Canarias, el Instituto de Física Corpuscular, el Instituto de Astrofísica de Andalucía y la Universidad de Barcelona.

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IAC/ APOGEE/ SDSS3

La colaboración SDSS-III, en la que participa el Instituto Astrofísico der Canarias, IAC, de España, anuncia nuevos resultados del proyecto BOSS sobre la enigmática energía oscura y los neutrinos, las elusivas partículas subatómicas claves para entender tanto el origen del Universo como las supernovas. También se han presentado los resultados de los proyectos SEGUE, que proporciona información sobre la evolución de la Vía Láctea, y el recién iniciado APOGEE, que logra observar regiones del cielo muy oscurecidas por la presencia de polvo interestelar gracias a la luz infrarroja.

Una década mapeando el Universo tiene su recompensa. La colaboración internacional Sloan Digital Sky Survey-III (SDSS-III), de la que es miembro el IAC, ha anunciado los retos que quedan pendientes hasta su conclusión, en 2014. Entre ellos, realizar un sondeo para trazar la historia de la Vía Láctea a través del estudio de más de 100.000 estrellas evolucionadas, algunas de ellas con casi la misma edad que el Universo. Además, esta colaboración ha presentado resultados fruto del análisis de la mayor y más profunda fotografía del cielo nocturno captada hasta la fecha, concluida hace un año: su estudio ha permitido a los investigadores remontarse 6.000 millones de años atrás en el tiempo y profundizar sobre la naturaleza de las enigmáticas materia y energía oscura, que componen el 95% del Universo sin que se sepa con certeza qué son. También se ha logrado determinar con gran precisión la mayor masa posible de los neutrinos, claves para entender tanto el origen del Universo como las supernovas.

SDSS-III ha repasado todas estas cuestiones en la última reunión de la Sociedad Americana de Astronomía (AAS, en su acrónimo inglés), celebrada hasta hoy, viernes 13, en Austin (Texas, Estados Unidos). El encuentro ha supuesto la puesta de largo del proyecto APOGEE, que emplea uno de los más eficientes espectrógrafos para luz infrarroja del mundo para capturar la composición química y los movimientos de más de 100.000 gigantes rojas a lo largo y ancho de la Vía Láctea. Se trata de un grupo de estrellas muy evolucionadas, que incluye algunas de las primeras que se crearon en el Universo. Estos fósiles permitirán desvelar cómo creció nuestra galaxia devorando a otras de menor tamaño y quizá conocer algo de su futuro.

Para completar el proyecto APOGEE, los astrofísicos trabajan en el Observatorio Apache Point (New Mexico, Estados Unidos) con un instrumento que incluye la tecnología más avanzada en la óptica del infrarrojo. El investigador del IAC, Carlos Allende, que lidera el equipo encargado del software de análisis de datos de esta iniciativa, destaca que el dispositivo se ha construido en el tiempo récord de un año y medio: “Considerando que integra las más modernas tecnologías de óptica en el infrarrojo, este espacio tan corto entre diseño y construcción es realmente asombroso”, afirma.

El astrofísico explica que APOGEE, al trabajar en las longitudes de onda del infrarrojo cercano, se diferencia de otros proyectos anteriores porque logra atravesar el polvo concentrado en el plano central de la Vía Láctea, que oscurece la luz visible de las estrellas analizadas y dificultaba su estudio. “Así, se logran medidas de estrellas a grandes distancias en el plano de la galaxia”, apunta Allende, que es también coordinador científico de la colaboración SDSS-III en el IAC.

APOGEE se caracteriza además por su rapidez: la tecnología del dispositivo permite obtener espectros de alta resolución de 300 estrellas de manera simultánea, lo que agiliza en cientos de veces la velocidad de recolección de datos si se compara con los instrumentos habituales, que analizan las estrellas de una en una. En sus primeros seis meses de operación, el proyecto ha observado, con gran resolución, los espectros de 32.000 estrellas a lo largo de toda la Vía Láctea.

Haciendo disección el disco de la Vía Láctea

Asimismo, en la reunión de Austin se han puesto en común resultados de otro de los proyectos del SDSSS-III: SEGUE II, que busca ampliar nuestro conocimiento de la vecindad del Sol en la Vía Láctea y que, por el momento, ha podido confirmar la teoría de que algunas nuevas galaxias surgen por la fusión de otras dos.

El proyecto, cuyo software para el análisis de espectros ha sido parcialmente desarrollado por el IAC, analizó la composición química de más de 118.000 estrellas de nuestra galaxia, algunas de ellas localizadas en su disco. Los últimos datos del proyecto confirman que la mayoría de las estrellas en la zona –la banda de estrellas más luminosa que se aprecia al mirar al cielo nocturno- orbitan alrededor del centro de la galaxia, su núcleo. Sin embargo, algunas de ellas bailan a otro ritmo: sus órbitas les llevan muy por encima y por debajo del plano de la galaxia. Un misterioso comportamiento.

Como explica Allende, nada mejor que SEGUE II para resolver el enigma: “El proyecto nos ha permitido pasar de tener medidas de la composición química de cientos de estrellas en la vecindad solar, a tener medidas de cientos de miles a distancias mucho mayores”. Anteriormente, las medidas realizadas se centraban en las abundancias de hierro. Ahora, con estudios como el que desarrolla en el IAC la investigadora Emma Fernández, se busca obtener las abundancias de elementos como carbono, magnesio o calcio.

El avance que representa SEGUE II ha permitido describir la historia del disco de la Vía Láctea, que crece de dentro hacia fuera. Su primera generación de estrellas se componía de hidrógeno y helio. Con el tiempo, las estrellas convirtieron esos gases en elementos más pesados, como el calcio o el hierro. Con cada nueva generación de estrellas, las cantidades de éstos y otros elementos pesados crecía. Este árbol genealógico trazado por SEGUE sólo tiene una nota discordante en las citadas estrellas con órbitas extrañas: todas presentan una composición similar de materiales pesados, con independencia de su ubicación ¿Cómo llegaron hasta ahí? Las investigaciones de SDSS apuntan, entre otras hipótesis, a que se podrían haber desplazado por el impacto de la Vía Láctea con galaxias vecinas.

Energía oscura y neutrinos

El último de los proyectos destacados en el encuentro de Austin es BOSS, que incluye observaciones con el telescopio Sloan que han dado lugar a la mayor fotografía -a todo color- del cielo nocturno captada hasta el momento. En total, más de un billón de píxeles que precisarían 500.000 televisores de alta definición para observarse al completo.

La ingente información del proyecto ya está ofreciendo resultados. En la conferencia de Texas se han presentado las primeras cuatro investigaciones, que ahondan en el proceso de expansión del Universo y en su composición. Aclarar este segundo extremo constituye uno de los grandes retos de la astrofísica para el futuro: la mayor parte del universo está compuesto por energía y materia oscura, cuya naturaleza aún no ha sido esclarecida. Los avances que se han realizado con BOSS, a partir del estudio de 900.000 galaxias luminosas, han permitido retrotraer la historia del universo unos 6.000 millones de años, aproximadamente el momento en que tenía la mitad de su edad actual. Sus primeras conclusiones apuntan a que la energía oscura supone un 73% del Universo. Los cálculos tienen un margen de error de apenas el 2%.

Un laboratorio para el estudio de neutrinos

La composición del Universo encierra otro misterio: los neutrinos. Estas partículas subatómicas de masa casi imperceptible están en el punto de mira de la física actual por la posibilidad de que viajen a una velocidad superior a la de la luz. La física de partículas aborda su estudio a través de átomos pero, según el investigador de la Universidad de Valencia Roland de Putter, “uno de los mejores laboratorios para investigarlos está en el Universo”. Su equipo, a partir de los datos de BOSS, ha determinado con precisión la mayor masa posible de estas partículas en 0,3 electron-voltios (inferior a la trillonésima parte de un gramo), un mejor acercamiento a este dato del que se ofrece por parte de los métodos de la física de partículas tradicional.

La exactitud de la información es sólo el principio. SDSS-III próximamente publicará el nuevo conjunto de observaciones del proyecto (‘Data Release 9′), que promete datos más precisos de las distancias a las galaxias, que sustituirán las estimaciones actuales.

Aunque el proyecto SDSS-III acabará en el 2014, ya están aprobados los nuevos proyectos que utilizarán el Observatorio Apache Point hasta el 2020. Para Ismael Pérez-Fournon, investigador del IAC y representante del Instituto en el Consejo Asesor de SDSS-III, los proyectos de SDSS dejan clara la importancia que tienen los telescopios de tamaño mediano equipados con instrumentación avanzada en la astronomía moderna. “El telescopio Sloan, cuyo espejo primario es de sólo 2.5 m de diámetro, cuenta con los mejores espectrógrafos para observaciones simultáneas de gran número de estrellas y galaxias, tanto en el rango visible como en el infrarrojo cercano. Por ejemplo, el proyecto BOSS obtiene cada noche espectros de varios miles de galaxias y de cientos de cuásares”, señala.

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ESO/ Subaru/ NAOJ/ M. Tanaka

Astrónomos han localizado un gigantesco y desconocido conjunto de galaxias ubicado a casi siete mil millones de años luz de la Tierra. El descubrimiento, hecho posible gracias a la combinación de dos de los telescopios terrestres más potentes del mundo, es la primera observación de tan importante estructura de galaxias en el Universo distante, permitiendo una mejor comprensión de la “red cósmica” y de cómo ésta se formó.

“La materia no está distribuida uniformemente en el Universo”, dice Masayuki Tanaka de la organización Observatorio Europeo Austral, ESO, quien dirigió el nuevo estudio. “En nuestro vecindario cósmico, las estrellas se forman en las galaxias y éstas, a su vez, generalmente forman grupos y cúmulos de galaxias. Las teorías cosmológicas más aceptadas predicen que la materia también se aglutina a mayor escala en la llamada ‘red cósmica’, en la cual las galaxias, anidadas en filamentos que se extienden entre vacíos, crean una estructura gigantesca y dispersa”.

Estos filamentos tienen millones de años luz de longitud y constituyen el esqueleto del Universo; las galaxias se reúnen en torno a ellos y en sus intersecciones se forman inmensos cúmulos de galaxias, merodeando cual arañas gigantes esperando más materia para digerir. Los científicos se están esforzando para determinar cómo se aglutinan. A pesar que las masivas estructuras filamentarias ya han sido observadas con frecuencia a distancias relativamente cortas de la Tierra, hasta ahora faltaba una prueba sólida de su existencia en el Universo más distante.

El equipo dirigido por Tanaka descubrió, en imágenes anteriormente obtenidas, una gran estructura alrededor de un distante cúmulo de galaxias. Ahora usaron dos grandes telescopios terrestres para estudiar esta estructura con mayor detalle, midiendo las distancias de todas las galaxias y, por lo tanto, obteniendo una vista tridimensional de la estructura. Las observaciones espectroscópicas fueron realizadas empleando el instrumento VIMOS en el telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO y FOCAS en el Telescopio Subaru, operado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón.

Gracias a éstas y otras observaciones, los astrónomos fueron capaces de hacer un real estudio demográfico de esta estructura, y han identificado varios grupos de galaxias que rodean el cúmulo principal. Pudieron distinguir decenas de tales agrupaciones, cada una diez veces más masiva que nuestra propia galaxia Vía Láctea –y algunas unas mil veces más masivas- y estiman que la masa del cúmulo asciende a al menos diez mil veces la masa de la Vía Láctea. Algunos de los grupos están experimentando el fatal tirón gravitacional del cúmulo y eventualmente caerán dentro de él.

“Ésta es la primera vez que hemos observado una estructura tan rica y prominente en el Universo distante”, dice Tanaka. “Ahora podemos movernos desde la demografía a la sociología y estudiar cómo las propiedades de las galaxias dependen de su entorno, en un tiempo en que el Universo tenía sólo dos tercios de su edad actual”.

El filamento está ubicado a unos 6.700 millones de años luz de la Tierra y se extiende por, al menos, 60 millones de años luz. La estructura recién descubierta probablemente se extiende más lejos aún, más allá del campo investigado por el equipo, y de ahí que ya han sido planificadas futuras observaciones a fin de obtener una medida definitiva de su tamaño.

La investigación fue presentada en un artículo publicado en Astronomy & Astrophysics, intitulado: The spectroscopically confirmed huge cosmic structure at z = 0.55, por Tanaka y otros.

El equipo está compuesto por Masayuki Tanaka (ESO), Alexis Finoguenov (Instituto Max Planck para Física Extraterrestre, Garching, Alemania y Universidad de Maryland, Baltimore, Estados Unidos), Tadayuki Kodama (Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Tokio, Japón), Yusei Koyama (Departamento de Astronomía, Universidad de Tokio, Japón), Ben Maughan (H.H. Wills Physics Laboratory, Universidad de Bristol, Reino Unido) y Fumiaki Nakata, (Telescopio Subaru, Observatorio Astronómico Nacional de Japón)

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