Fòssils cosmològics a Terol

Les galàxies són les rajoles bàsiques de l’univers. Des que els astrònoms vam aprendre a mitjan dècada dels anys vint del segle passat que l’univers conté infinitat de galàxies, prompte vam ser conscients que aquestes no es distribueixen a l’atzar. La gravetat les fa «sociables», de manera que formen grups, cúmuls i estructures encara majors entre les quals destaquen filaments i parets que envolten grans espais buits. D’aquesta textura còsmica, en diem «estructura a gran escala». Descriure-la i estudiar-la és fonamental per a entendre aspectes clau de l’origen i l’evolució de l’univers.

Fa uns pocs anys, el 2005, es va descobrir una peculiaritat en l’estudi detallat dels cartografiats còsmics disponibles fins llavors (són grans catàlegs de galàxies que contenen les posicions en l’espai tridimensional de centenars de milers de galàxies en volums descomunals). El nom tècnic d’aquest descobriment és poc explícit, els astrònoms parlen d’«oscil·lacions acústiques bariòniques» i la seua existència la van postular el 1970 J. Peebles i J. T. Yu.

La distribució de galàxies, com si es tractara d’un fòssil cosmològic, amaga l’empremta del passat més remot de l’univers. L’anàlisi de la manera com es distribueixen les galàxies a gran escala ens ha permès detectar aquella subtil informació que els cosmòlegs teòrics havien predit fa més de quatre dècades. Però anem a pams. Què va passar en l’univers primitiu i quina classe d’empremta va deixar aquest fet impresa en l’estructura a gran escala de l’univers?

116-80

E.M. Huff, the SDSS-III team, and the South Pole Telescope team. Graphic by Zosia Rostomian Els cercles blancs representen les oscil·lacions acústiques bariòniques en aquest esquema que mostra l’univers en tres èpoques diferents. La imatge de la dreta és una representació de l’univers primerenc quan es va emetre la radiació còsmica de fons (380.000 anys després del Big Bang). Les oscil·lacions acústiques bariòniques, que ja eren presents en aquell moment, s’observen també en altres èpoques còsmiques en la distribució de galàxies. El panell del mig estaria a 5.500 milions d’anys llum i el de l’esquerra, a 3.800. Comparar-los permet mesurar com s’expandeix l’univers amb el temps.

Minuts després de la Gran Explosió (Big Bang) es formen els nuclis dels àtoms lleugers, fonamentalment hidrogen i heli, i alguns dels seus isòtops com el deuteri o el triti, però no es van poder formar els àtoms estables, ja que en aquesta època la radiació domina sobre la matèria, i si un nucli capta algun electró amb la intenció de formar un àtom, immediatament un fotó molt energètic interactua i impedeix que l’enllaç hi romanga. La matèria es troba completament ionitzada, forma un plasma dens i calent en el qual no hi ha àtoms, només nuclis, electrons, fotons i neutrins, a més de matèria fosca, la naturalesa de la qual encara desconeixem. Els nuclis els formen neutrons i protons que col·lectivament els físics anomenen barions.

En aquest plasma sabem que hi ha regions lleugerament més denses que el seu entorn que tracten d’atraure gravitatòriament matèria cap a elles, però alhora una densitat major de fotons implica major pressió (de radia­ció) que contraresta la caiguda gravitatòria de matèria. Hi ha oscil·lacions: la gravetat intenta que la matèria col·lapse i la pressió dels fotons exerceix l’efecte contrari. Com que els fotons i el gas de barions estan acoblats en un únic fluid a molt alta temperatura, la radiació arrossega els barions, en una ona esfèrica que viatja a la velocitat del so (que per a aquell plasma és de l’ordre de la meitat de la velocitat de la llum). La matèria fosca és immune a la pressió de radiació, només respon a la gravetat, ja que no interacciona amb pràcticament res i per tant roman al centre de l’ona sònica.

380.000 anys després del Big Bang, quan la temperatura ha decrescut prou perquè els fotons deixen d’interaccionar amb els barions i es formen àtoms estables, la pressió de radiació disminueix abruptament i deixa un casquet de barions entorn del centre de la fluctuació de densitat que quedaria com congelat. És semblant a l’efecte que es produiria si llançàrem un grapat de pedres a un estany. Aquestes formarien nombroses ones d’aigua: imaginem que de sobte l’aigua es congelara. En el nostre cas, els centres i les vores de les ones «congelades» estaven integrades per acumulacions de matèria, en les quals amb el pas del temps es van anar formant moltes de les galàxies que veiem actualment.

Estudiant la distribució de galàxies, hem confirmat el descobriment d’aquestes ones «congelades», ja que la teoria prediu que haurien de tenir un radi d’uns 500 milions d’anys llum, i el que precisament detectem és que a aquesta distància d’una galàxia donada és més probable que trobem altres galàxies, si comparem amb, per exemple, 300 o 700 milions d’anys llum. Això és perquè estem trobant el senyal que produeixen simultàniament les galàxies que es troben al centre i les que es troben a la vora d’aquestes ones.

«La distribució de galàxies, com si es tractara d’un fòssil cosmològic, amaga l’empremta del passat més remot de l’univers»

La grandària de les oscil·lacions acústiques bariòniques és una «regla» que podem utilitzar per mesurar l’univers. Una regla és un objecte de grandària coneguda, la grandària aparent del qual ens informa de com es troba de lluny i per tant ens revela a quin ritme s’espandeix l’univers. Els cosmòlegs pensen avui que existeix en l’univers un component que no és matèria, ni radiació, que anomenem energia fosca i que produeix que l’expansió còsmica es vaja accelerant. S’esperava que l’expansió còsmica, descoberta per Edwin Hubble el 1929, s’estiguera alentint, però s’observa el contrari. Aquest fet és tan desconcertant com si, en llançar una pilota a l’aire, observàrem que no torna a la Terra sinó que continua la trajectòria ascendent incrementant constantment la velocitat. Doncs bé, disposar d’una regla ens permet estudiar el ritme de l’expansió còsmica en les diferents èpoques de la història de l’univers, i per tant l’estudi de les oscil·lacions acústiques bariòniques aporta informació per a conèixer la naturalesa de l’energia fosca.

En aquest repte estan embarcats moltíssims projectes d’investigació internacionals. Per exemple, en l’Observatori de la Universitat de València estem col·laborant amb el Javalambre-Physics of the Accelerating Universe Astronomical Survey (JPAS), un projecte astronòmic que pretén mesurar els paràmetres físics de la misteriosa energia fosca que provoca l’expansió accelerada de l’univers. Amb aquest fi cartografiarà el cel visible des de l’hemisferi nord, per obtenir les posicions i distàncies de més de 90 milions de galàxies. Per dur a terme aquest programa utilitzarà un nou telescopi de 2,5 metres de diàmetre que s’està instal·lant a l’Observatori Astrofísic de Javalambre (Terol). Si finalment es revelen les claus dels confins de l’univers amb les dades que s’obtinguen des d’aquest Observatori, serà la prova definitiva que Terol existeix!

© Mètode 2014 - 80. La ciència de la premsa - Hivern 2013/14
Catedràtic de Astronomia i Astrofísica. Observatori Astronòmic de la Universitat de València.