Astrofísicos miden la cantidad total de materia en el Universo


Utilizando datos de una muestra de 756 cúmulos de galaxias identificados en el Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un equipo de astrofísicos de Estados Unidos y Egipto determinó que la materia constituye el 31% de la cantidad total de materia y energía en el Universo, y el resto consiste en energía oscura.

"Para poner esa cantidad de materia en contexto, si toda la materia del Universo se distribuyera uniformemente en el espacio, correspondería a una densidad de masa promedio igual a solo unos seis átomos de hidrógeno por metro cúbico", dijo el primer autor del estudio, Mohamed Abdullah, estudiante de posgrado en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California en Riverside y del Instituto Nacional de Investigación de Astronomía y Geofísica de Egipto.

"Sin embargo, dado que sabemos que el 80% de la materia es de hecho materia oscura, en realidad, la mayor parte de esta materia no consiste en átomos de hidrógeno, sino en un tipo de materia que los cosmólogos aún no comprenden".

Una técnica bien probada para determinar la cantidad total de materia en el Universo es comparar el número y la masa observada de los cúmulos de galaxias por unidad de volumen con predicciones de simulaciones numéricas.

Debido a que los cúmulos de galaxias actuales se han formado a partir de materia que se ha derrumbado bajo su propia gravedad durante miles de millones de años, el número de cúmulos observados en la actualidad es muy sensible a las condiciones cosmológicas y, en particular, a la cantidad total de materia.

"Un mayor porcentaje de materia; resultaría en más cúmulos", dijo Abdullah.

"El desafío 'Ricitos de oro' para nuestro equipo fue medir la cantidad de cúmulos y luego determinar qué respuesta sería la correcta".

"Pero es difícil medir la masa de cualquier cúmulo de galaxias con precisión porque la mayor parte de la materia es oscura, por lo que no podemos verla con telescopios".

El estudio

Para superar esta dificultad, Abdullah y sus colegas desarrollaron una herramienta cosmológica, denominada GalWeight, para medir la masa de un cúmulo de galaxias, utilizando las órbitas de las galaxias miembros del cúmulo.

Los investigadores aplicaron esta herramienta a las observaciones de Sloan Digital Sky Survey, para crear un catálogo de 1.800 cúmulos de galaxias.

Luego compararon los datos de 756 cúmulos de su catálogo con simulaciones.

Al combinar sus medidas obtenidas con las de los otros equipos que utilizaron diferentes técnicas, pudieron determinar el mejor valor combinado, concluyendo que la materia constituye el 31,5 ± 1,3% de la cantidad total de materia y energía en el Universo.

"Hemos logrado realizar una de las mediciones más precisas jamás realizadas, utilizando la técnica de los cúmulos de galaxias", dijo la profesora Gillian Wilson, coautora del estudio, investigadora del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de California en Riverside.

"Además, este es el primer uso de la técnica de la órbita de las galaxias que ha obtenido un valor acorde con los obtenidos por equipos, que utilizaron técnicas no basadas en cúmulos, como la anisotropía de radiación cósmica de microondas, las oscilaciones acústicas bariónicas, las supernovas de tipo Ia o los lentes gravitacionales".

"Una gran ventaja de utilizar nuestra técnica GalWeight de la órbita de las galaxias, fue que nuestro equipo pudo determinar una masa para cada cúmulo individualmente, en lugar de depender de métodos estadísticos más indirectos", dijo el Dr. Anatoly Klypin, coautor del estudio, investigador del Departamento de Astronomía de la Universidad Estatal de Nuevo México y del Departamento de Astronomía de la Universidad de Virginia.

Referencia del documento científico:
Mohamed H. Abdullah et al. 2020. Cosmological Constraints on Ω m and σ 8 from Cluster Abundances Using the GalWCat19 Optical-spectroscopic SDSS Catalog. ApJ 901, 90; doi: 10.3847/1538-4357/aba619

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