Nuevo catálogo de distancias cósmicas para desvelar los misterios de la formación del universo

S ha presentado públicamente un catálogo pionero de distancias cósmicas. Este catálogo recoge datos recopilados durante 200 noches entre 2015 y 2019 utilizando la cámara PAUCam del telescopio William Herschel (WHT), en La Palma, de las islas Canarias de España.

El catálogo se ha publicado en la web del proyecto PAUS (Physics of the Accelerating Universe Survey) y en el portal CosmoHub.

PAUS es una colaboración internacional liderada por el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE), dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en España, en la que participan 14 instituciones de 6 países.

Además, el catálogo de distancias cósmicas se detalla en dos estudios publicados en la revista académica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS): uno sobre la medida de las distancias y otro sobre la calibración de los datos de PAUS. El equipo que ha realizado el primer estudio lo encabeza David Navarro-Gironés, investigador predoctoral en el ICE. El segundo estudio es obra de un equipo encabezado por Francisco Castander, del ICE así como del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC). El primer estudio se titula “The PAU Survey: Photometric redshift estimation in deep wide fields”. El segundo se titula “The PAU survey: photometric calibration of narrow band images”.

 Este nuevo catálogo proporciona información de millones de galaxias lejanas, determinando sus distancias con una precisión sin precedentes, con un campo de visión y una profundidad nunca antes explorados. El cartografiado cubre una amplia área de cielo de 50 grados cuadrados, similar a un área de aproximadamente 250 lunas llenas, que engloba datos de 1,8 millones de objetos astronómicos. Esta mirada más profunda permitirá crear mapas más precisos para determinar cómo exactamente se formó la estructura de materia del universo, y también para averiguar qué son la materia oscura y la energía oscura.

La cámara PAUCam fue diseñada especialmente para medir con precisión las distancias a las galaxias, lo que permite estudiar la expansión del universo bajo la influencia de la materia oscura y la energía oscura.

El proyecto se basa en imágenes profundas existentes de los cartografiados CFHTLenS (Canada-France-Hawaii Telescope Lensing Survey) del telescopio CFH (Canada-France-Hawaii), en Hawái, y el KiDS (Kilo-Degree Survey) realizado con el telescopio VST (VLT Survey Telescope) en Chile, que pertenece al Observatorio Europeo Austral (ESO). Al combinar estos conjuntos de datos, el proyecto PAUS ha obtenido información muy precisa sobre la distancia y el tiempo de los objetos del espacio profundo.

 La expansión acelerada del universo se atribuye a la energía oscura, que constituye alrededor del 70% del universo, pero su naturaleza sigue siendo una incógnita. El cartografiado PAUS puede ayudar a esclarecer este enigma, ya que proporciona una caracterización precisa y completa de millones de galaxias situadas hasta distancias de más de 10.000 millones de años-luz de nosotros. Este catálogo es un recurso valioso para la comunidad astronómica al contribuir al análisis científico y la calibración de otros cartografiados cosmológicos.

"El cartografiado PAUS ofrece un enfoque revolucionario para la creación de mapas cósmicos, que es posible gracias al diseño y desarrollo de un instrumento novedoso y un cartografiado dedicado a recopilar y analizar datos de formas que nunca antes se han llevado a cabo. Ha sido un privilegio colaborar con un grupo tan talentoso y fiable", afirma Enrique Gaztañaga, director del cartografiado PAUS, que comenzó en 2015, y actualmente profesor del Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth en el Reino Unido, en excedencia del ICE y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC).

Este catálogo representa un avance significativo en la investigación cósmica, ya que ofrece medidas fotométricas del corrimiento al rojo que determinan las distancias a las galaxias tal como aparecieron hace miles de millones de años. Para obtener estas medidas, la cámara PAU emplea 40 filtros de diferentes colores que representan bandas estrechas en el espectro óptico. Esta técnica implica fotografiar el mismo campo varias veces a través de varios filtros de color. A medida que los objetos se alejan de nosotros, la luz que emiten experimenta un corrimiento al rojo, desplazándose hacia el extremo rojo del espectro. En astronomía, el corrimiento al rojo es crucial para calcular la distancia de un objeto a la Tierra.

Mientras que los estudios cósmicos espectroscópicos de última generación, actuales y futuros, están equipados con grandes planos focales que permiten la medición simultánea de los desplazamientos al rojo de miles de galaxias preseleccionadas —adquiriendo cientos de desplazamientos al rojo de galaxias por grado cuadrado en una sola observación de un total de aproximadamente 30.000 galaxias en el límite de profundidad deseado—, el estudio PAUS adopta un enfoque diferente. Este proyecto no requiere preseleccionar galaxias. En su lugar, utiliza sus 40 filtros para medir los desplazamientos al rojo de las 30.000 galaxias dentro del campo de visión a la vez, aunque con una resolución espectral menor.

“La precisión al medir distancias de galaxias depende del número de filtros que se utilicen, ya que cada filtro proporciona información distinta sobre la galaxia. La gran ventaja de PAUS es que combina información de 40 filtros diferentes, lo que permite realizar mediciones de distancias de gran precisión. Este nivel de precisión es crucial para el estudio de la estructura del universo, que a su vez requiere datos de un gran número de galaxias”, afirma David Navarro-Gironés, investigador predoctoral en el ICE y primer autor de uno de los dos nuevos estudios.

El cartografiado PAUS proporciona información completa, en un rango de flujos determinado y de gran precisión sobre el corrimiento al rojo y la distribución de la energía espectral de millones de galaxias y estrellas, alcanzando una profundidad y un área inexploradas anteriormente. Esto se consigue sin la necesidad de seleccionar una serie de objetivos específicos, lo que supone una herramienta potente para comprender mejor la selección de muestras y la integridad de los cartografiados astronómicos.

 Una colaboración internacional entre España, Reino Unido, Países Bajos, Suiza, Alemania y China ha hecho posible el cartografiado PAUS. La explotación científica de los datos del nuevo catálogo—incluyendo observaciones, reducción y calibración de datos, simulaciones, corrimiento al rojo fotométrico y análisis de agrupamiento de galaxias— ha sido liderado por el ICE, junto con el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en Bellaterra, Barcelona. También han colaborado el PIC (Port d’Informació Científica) de Bellaterra, Barcelona (gestionado por el IFAE y el CIEMAT), el IEEC, el Instituto de Física Teórica (IFT) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

 La construcción e integración de la cámara PAU se realizó íntegramente en Barcelona, ​​bajo la dirección del IFAE en colaboración con el ICE, el PIC, el IEEC, el CIEMAT y el IFT (del CSIC y de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM)).

 
 Además de ayudar en el diseño de la cámara, el banco óptico y la construcción, el ICE también tuvo un papel fundamental en la reducción de datos, la calibración, los procesos de análisis automatizados y la distribución de datos, trabajando en estrecha colaboración con el PIC, que actúa como centro de datos de PAUS, junto con el equipo más amplio de PAUS. El CIEMAT fue responsable, junto con el IFAE, del diseño, la producción, las pruebas y la instalación de toda la electrónica de PAUCam. El CIEMAT también fue responsable de las pruebas y la validación de los filtros y de la producción e instalación de varias partes mecánicas de la cámara.

La puesta en servicio y la primera luz de PAUCam en el telescopio WHT de 4,2 metros tuvieron lugar en 2015 por parte de estos grupos en España, con la inestimable ayuda del personal de ingeniería del WHT, del Grupo de Telescopios Isaac Newton (ING), en La Palma. Tras este hito, se formó una colaboración internacional en 2015, que incluía a la Universidad de Durham (Reino Unido), el Observatorio de Leiden (Países Bajos), la Universidad del Ruhr en Bochum (Alemania), el University College de Londres (Reino Unido), el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH), el Instituto de Cosmología y Gravitación de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido) y la Universidad de Tsinghua (China).

 Nueve años después de su primera luz, en 2015, PAUS ha alcanzado un hito: ha medido las distancias de numerosas galaxias lejanas con una precisión relativa del 0,3 %. El equipo está utilizando actualmente estos datos para mejorar la calibración de los sondeos cosmológicos existentes. Por ejemplo, los datos de PAUS se están utilizando para mejorar los análisis de lentes gravitacionales débiles y simulaciones para misiones espaciales que estudian la energía oscura, como la misión Euclid de la ESA y el LSST (Legacy Survey of Space and Time) del Observatorio Rubin. Además, estas muestras pueden refinar las distribuciones de corrimiento al rojo para dichas misiones, como ya se ha hecho para las colaboraciones científicas KiDS y DES (Dark Energy Survey).