El fondo cósmico de microondas (CMB)-la reliquia de fotones de las primeras etapas del universo-está bien establecido como una prueba precisa de la cosmología, el cual proporciona una imagen clara del universo cuando tenía 1/1000 de su tamaño actual. Una nueva generación de experimentos, ahora hace posible utilizar también el CMB para sondear estructuras a gran escala, como galaxias y cúmulos de galaxias, en aquellas partes del universo que están relativamente cerca. En Physical Review Letters [ ver aquí ], un equipo internacional de investigadores encabezados por Nick Hand informan de que han sido capaces de detectar la tendencia de los grandes cúmulos de materia a moverse los unos hacia los otros con los datos del CMB recogidos por el Telescopio Atacama Cosmología (ACT) y con un gran catálogo de galaxias recopiladas por el Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), un experimento diseñado para detectar las huellas de las primeras ondas de sonido del universo en la distribución de galaxias locales. Mediciones como éstas proporcionan nuevas pruebas de la gravedad a grandes escalas, así como una perspectiva diferente sobre la energía oscura, la extraña forma de densidad de energía que parece impulsar la expansión acelerada del universo.
Las mediciones del CMB han avanzado en la sensibilidad y resolución angular, hasta el punto en que ahora es posible no sólo caracterizar la densidad de fluctuaciones que existían en el universo temprano, sino también medir las sutiles distorsiones del CMB causadas por los fotones que interactúan con grupos grandes de materia en el universo relativamente local. En comparación con otros métodos de observación de la distribución de galaxias, las mediciones del CMB son sensibles a diferentes aspectos de los procesos de formación de estructuras y en diferentes épocas cósmicas, y por lo tanto, son complementarias pruebas de cosmología. Uno de tales ejemplos es el efecto de lente gravitacional del CMB, donde la gravedad de las fluctuaciones de densidad a gran escala distorsiona y agranda las anisotropías de temperatura impresas en el universo temprano. La primera detección de este efecto [ ver aquí ] utilizó datos de la Wilkinson Microwave Anisotropy Probe [ ver aquí ]. Mediciones posteriores por parte del ACT [ver aquí y aquí] y el Telescopio del Polo Sur (SPT) [ ver aquí ] mejoraron esta medida.
fig nº 1, el Atacama Space Telescope observa el movimiento de grandes masas tales como los cúmulos de galaxias ,trás detectar el corrimiento de frecuencia en el fondo cómico de microondas el cual se dispersa inelásticamente debido al movimiento de las masas.La luz dispersada desde un cúmulo de galaxias que se aleja del observador es corrida a más largas longitudes de ondas (más fría o corrimiento al rojo).Los cúmulos de galaxias que se mueven hacia el observador dispersan la luz a más cortas longitudes de ondas(más caliente o corrimiento al azul).Crédito.APS/Alan Stonebraker: (Top) ESO; (Bottom) ESA/Hubble/NASA.
Además de experimentar los efectos de la gravedad, los fotones del universo temprano pueden inelásticamente dispersarse (dispersión Compton) con los electrones libres que se encuentran en los gases altamente ionizados en el universo local, un proceso que generalmente se conoce como el efecto Sunyaev-Zel'dovich [ ver aquí ]. Cuando la interacción es entre los fotones relativamente fríos del CMB y los calientes electrones calentados por la compresión gravitacional,esto se conoce como el efecto térmico Sunyaev-Zel'dovich, y ha sido bien estudiado en las últimas décadas. En los últimos años, el SPT, el ACT, y el satélite Planck han utilizado el efecto para descubrir nuevos cúmulos masivos de galaxias en los mapas del CMB [ver aquí,aqui y aquí].
Los fotones también pueden dispersarse a partir de nubes de electrones con una velocidad mayor, pero este llamado efecto cinemático
Sunyaev-Zel'dovich nunca antes ha sido detectado. La fuente del efecto es que las nubes de electrones que se mueven alejándose del observador darán lugar a un ligero desplazamiento al rojo de los fotones dispersados, mientras que las nubes moviéndose hacia el observador causaran un ligero corrimiento hacia el azul (ver Fig. 1). La magnitud de este efecto es del orden de v/c (~10-3, basados en lo que se conoce acerca de la mayoria de los flujos cosmológicos) veces la probabilidad de dispersión (~ 1% para un cúmulo de galaxias). Lo que esto significa para un CMB con una temperatura media de 2.73 Kelvin es que los fotones serán desplazados por el orden de los µK. Los resultados recientes de Nick Hand utiliza la combinación de datos del ACT y el experimento BOSS para ofrecer la primera detección de este efecto.
El enfoque de Hand para detectar el efecto es bastante robusto. Las galaxias y cúmulos de galaxias son las regiones de mayor densidad de masa, por lo que las galaxias o cúmulos de galaxias que están cerca las unas de las otras deberían atraerse entre ellas. Teniendo en cuenta esto un observador que mira a dos galaxias que esten cerca la una a la otra, debería ver a la más lejana a uno moviéndose hacia la más cercana a uno (hacia el observador), mientras que la galaxia más cercana se vería alejandose del observador. Los electrones libres asociados a cada galaxia deberían, igualmente, tener velocidades opuestas, lo que lleva a una anticorrelación distinta entre las temperaturas observadas del fondo de microondas en la localización de estas galaxias. El signo del efecto está bien definido (el objeto más distante debe ser desplazado al azul en comparación con el menos distante a uno), y la dependencia espacial también se puede predecir (más ampliamente separados pares deberían tener menos velocidad relativa), por lo que aunque la señal para cualquier par de galaxias es pequeña,se pueden promediar las mediciones sobre muchos pares para producir una detección.
Después de promediar más de 5000 galaxias, Hand de hecho encuentra una clara detección del efecto cinético Sunyaev-Zel'dovich, con una amplitud que está de acuerdo con las expectativas de las simulaciones de la estructura a gran escala en el universo. Dado que es una prueba cosmológica independiente, la detección es un gran éxito para el modelo cosmológico, el cual supone que hay una mezcla de la materia oscura y energía oscura. Las alternativas a la energía oscura y materia oscura a menudo predicen una tasa de crecimiento diferente para las estructuras cósmicas de lo que es predicha por el modelo cosmológico estándar;. El trabajo de Hand proporciona un medio para poner a prueba estas ideas. Sus resultados también señalan el camino hacia una nueva prueba de la gravedad y la cosmología. Con mapas más sensibles del CMB y con los próximos sondeos de amplias áreas de galaxias las cuales se extienden a un mayor desplazamiento hacia el rojo, será posible medir directamente la aceleración gravitacional a grandes separaciones. Estas mediciones permitirán probar la relatividad general a escalas muy grandes [ ver aquí].
Los experimentos del CMB siguen mejorando y perfeccionando nuestra comprensión del universo temprano y nos están ayudando a buscar la firma de la radiación gravitacional desde los primeros momentos del universo. También podemos esperar una rápida mejora en las mediciones del CMB del universo local. El experimento SPT tiene un conjunto existente de datos grande que es muy adecuado para este propósito, y ambos el SPT y el ACT han completado mejoras importantes para mejorar su sensibilidad y la velocidad con la que pueden mapear porciones del universo. Por lo tanto, a medida que aprendemos más sobre los primeros momentos del universo, también podemos obtener nuevos puntos de vista del universo de hoy en día.
artículo del físico Gilbert P. Holder para Physics.aps.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v5/81
