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» » Detectado por primera vez el efecto cósmico de Sunyaev-Zel'dovich


La primera observación de un efecto cósmico, teorizado hace 40 años, podría proporcionar a los astrónomos una herramienta más precisa para comprender las fuerzas que hay detrás de la formación del universo y su crecimiento, incluyendo los fenómenos enigmáticos de la energía oscura y materia oscura.

Una larga investigación de dos grandes sondeos astronómicos informan en un documento presentado a la revista Physical Review Letters, que los científicos han detectado el movimiento de los cúmulos de galaxias distantes, a través del efecto cinemático Sunyaev-Zel'dovich (kSZ), que nunca antes se había visto. El documento fue publicado recientemente en la base de datos arXiv, y fue iniciado en la Universidad de Princeton por su autor principal Nick Hand, como parte de su tesis. Cincuenta y ocho colaboradores del Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) y el proyecto Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) figuran como coautores.


En 1972, los físicos rusos Rashid Sunyaev y Yakov Zel'dovich, propusieron el efecto kSZ cuando el gas caliente de los cúmulos galácticos distorsionan la radiación de fondo de microondas (el resplandor residual del Big Bang) que llena nuestro universo. La radiación que atraviesa un cúmulo de galaxias, en su movimiento hacia la Tierra parece más caliente en unas pocas millonésimas de un grado, mientras que la radiación que atravisa el cúmulo alejándose parece un poco más fría.


Ahora que se ha detectado, el efecto kSZ podría ser una herramienta excepcional para la medición de la velocidad de los objetos en el universo lejano, según informan los investigadores. Podría darnos una idea de la potencia de las fuerzas gravitatorias que tiran de los cúmulos de galaxias y otros cuerpos. Las principales de estas fuerzas son las todavía hipotéticas materia oscura y la energía oscura, que se cree pueden impulsar la expansión del universo y los movimientos de las galaxias.

Además, la potencia de señal del efecto KSZ depende de la distribución de los electrones dentro y alrededor de galaxias. Como resultado, el efecto también se puede utilizar para rastrear la ubicación de los átomos en el universo cercano, lo que puede revelar cómo se forman las galaxias.

Los beneficios del efecto KSZ derivan de su capacidad única para detectar la velocidad, dijo Hand, graduado en 2011 en Princeton y ahora estudiante de posgrado en astronomía en la Universidad de California-Berkeley. Los investigadores detectaron el movimiento de los cúmulos de galaxias a miles de millones de años luz de distancia, con velocidades de hasta 600 kilómetros por segundo.

"Los métodos tradicionales de medición de dichas velocidades requieren mediciones de distancias muy precisos, algo asaz difícil. Por eso, estos métodos son más útiles cuando los objetos están más cerca de la Tierra", apuntaba Hand.

"Una de las principales ventajas de este efecto es que su magnitud es independiente de la distancia que esté el cúmulo de galaxias de nosotros, de tal manera que podemos medir la velocidad de movimiento de un objeto que viene hacia la Tierra o se aleja de ella, a distancias mucho más grandes de lo que ahora podemos" añadió. "En el futuro, puede proporcionar una comprobación estadística adicional independiente de otros métodos de medición de parámetros cosmológicos, además de la comprensión de cómo se forma el universo a una escala más grande."

Pedro Ferreira,  profesor de astrofísica en la Universidad de Oxford, calificó el documento como un "bello trabajo", que claramente demuestra un método preciso para el estudio de la evolución del universo y de la distribución de materia en el mismo. Ferreira no colaboró en la investigación, pero está muy familiarizado con él.

"Esta es la primera vez que el efecto kSZ sin detectado sin ambigüedades, lo que en sí mismo es ya un resultado muy importante", agregó Ferreira.

"Al indagar en cómo las galaxias y cúmulos de galaxias se mueven en el universo, el efecto kSZ está investigando de manera directa cómo se reúnen los objetos y se desarrollan en el universo", continuó. "Si esto es así, depende en gran manera de la materia oscura y la energía oscura. Se puede pensar en el efecto kSZ como en una ventana completamente nueva sobre la estructura a gran escala del universo."

Combinando distintos datos fundamentales

Para encontrar el efecto kSZ, los investigadores combinaron y analizaron los datos de los proyectos de ACT y BOSS. El efecto kSZ es tan pequeño, que no es visible desde su interacción de un cúmulo de galaxias individuales con el fondo cósmico de microondas (CMB), sino que es detectable por la compilación de las señales de varios cúmulos, descubrieron los investigadores.

ACT es un telescopio de diseño personalizado de 6 metros, en Chile, construido para conseguir un mapa detallado del CMB usando las frecuencias de microondas. La colaboración de ACT consiste en una docena de universidades, con las contribuciones principales de Princeton y la Universidad de Pennsylvania, e incluye importante detector de Goddard Space Flight Center, de la NASA, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y la Universidad británica de Columbia.

BOSS, es un detector de luz visible con sede en el Apache Point Observatory en Nuevo México, ha capturado los espectros de miles de luminosas galaxias y quásares, a fin de mejorar la comprensión de la estructura a gran escala del universo. BOSS es parte del Sloan Digital Sky Survey III, la tercera fase del proyecto astronómico más productivo de la historia, y un esfuerzo conjunto entre 27 universidades e instituciones de todo el mundo.

Para el proyecto actual, los investigadores de ACT compilaron un catálogo de 27.291 galaxias luminosas de BOSS, que aparecieron en la misma región del cielo mapeado por ACT, entre 2008 y 2010. Dado que cada galaxia reside probablemente en un cúmulo de galaxias, sus posiciones se utilizaron para determinar la ubicación de los cúmulos que distorsionarían la radiación CMB que fue detectado por ACT.

Hand utilizó las 7.500 galaxias más brillantes de los datos de BOSS, para descubrir la señal kSZ predicha, producida cuando los cúmulos de galaxias interactúan con la radiación CMB. Arthur Kosowsky, colaborador de ACT, y profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Pittsburgh, sugirió un promedio matemático en particular, que refleja una ligera tendencia por pares de cúmulos de galaxias a moverse la una hacia el otra, debido a su mutua atracción gravitatoria, lo que hizo aún más evidente en los datos el efecto kSZ.

La superposición de los datos de ambos proyectos fue esencial, porque la amplitud de señal del efecto kSZ es muy pequeña, comentaba David Spergel, colaborador de ACT y, profesor y director de la facultad de ciencias de la astrofísica en Princeton, así como asesor de Hand en su tesis de grado. Al promediar los mapas del CMB de ACT con los miles de localizaciones de galaxias de BOSS, la señal kSZ se hizo más fuerte, en comparación con las señales no relacionadas y los errores de medición, añadió Spergel.

"La señal kSZ es pequeña porque las probabilidades de que una microondas golpee un electrón al pasar por un cúmulo de galaxias son bastante bajas, y el cambio energético en la microonda por esta colisión es muy ligero. La inclusión de varios miles de galaxias en el conjunto de datos, reduce la distorsión y nos quedamos con una señal fuerte."

De hecho, si se analizan por separado, ni los datos de ACT ni los de BOSS han podido revelar el efecto kSZ, señalaba Kosowsky. "Este resultado es un gran ejemplo de la importancia de este descubrimiento científico, basado en los ricos datos combinados de estas grandes sondas astronómicas. Los investigadores de ACT y de BOSS no tuvieron esto en mente cuando diseñaron por primera vez sus experimentos."

Esto se debe a que los proyectos de ACT y BOSS son fundamentalmente diferentes, lo que hace que la combinación de datos sea única, dijo Michael Wood-Vasey, portavoz científico de SDSS-III, y profesor adjunto de física y astronomía en la Universidad de Pittsburgh. Los proyectos difieren en cuanto a los objetos cósmicos estudiados, el método de recolección de datos, e incluso en las longitudes de onda en la que operan, las microondas de ACT y las ondas de luz visible de BOSS.

"La colaboración entre proyectos de esta envergadura no son comunes en mi experiencia", dijo Wood-Vasey. "Esto colaboración cobra sentido por las estrategias de adquisición de datos para estos proyectos, que se habían fijado ya sin pensar en esta posibilidad. La idea es clave de los investigadores de este proyecto, lo que ha permitido combinar los dos conjuntos de datos y realizar esta medición."

El documento fue publicado 19 de marzo en la base de datos arXiv mantenida por la Universidad de Cornell. El apoyo a ACT proviene principalmente de la National Science Foundation. La financiación de SDSS-III ha proviene de la Fundación Alfred P. Sloan, la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Energía de EE.UU. y de las instituciones participantes.


- Referencia: ScienceDaily.com, 20 de marzo de 2012
- Fuente:  Universidad de Princeton .
- Imagen: Efecto cinemático Sunyaev-Zel'dovich (kSZ).
- Journal Referencia: Nick Hand, Graeme E. Addison, Eric Aubourg, Nick Battaglia, Elia S. Battistelli, Dmitry Bizyaev, J. Richard Bond, Howard Brewington, Jon Brinkmann, Benjamin R. Brown, Sudeep Das, Kyle S. Dawson, Mark J. Devlin, Joanna Dunkley, Rolando Dunner, Daniel J. Eisenstein, Joseph W. Fowler, Megan B. Gralla, Amir Hajian, Mark Halpern, Matt Hilton, Adam D. Hincks, Renee Hlozek, John P. Hughes, Leopoldo Infante, Kent D. Irwin, Arthur Kosowsky, Yen-Ting Lin, Elena Malanushenko, Viktor Malanushenko, Tobias A. Marriage, Danica Marsden, Felipe Menanteau, Kavilan Moodley, Michael D. Niemack, Michael R. Nolta, Daniel Oravetz, Lyman A. Page, Nathalie Palanque-Delabrouille, Kaike Pan, Erik D. Reese, David J. Schlegel, Donald P. Schneider, Neelima Sehgal, Alaina Shelden, Jon Sievers, Cristobal Sifon, Audrey Simmons, et al. Detection of Galaxy Cluster Motions with the Kinematic Sunyaev-Zel'dovich Effect. submitted to Physical Review Letters, 2012.

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