dissabte, 27 de març de 2021

Fluctuacions angulars en el camp galàctic de desplaçament al vermell com a observable cosmològic

Cosmologia: En una lletra a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Carlos Hernández-Monteagudo, Jonás Chaves-Montero i Raúl E. Angulo proposen l’ús de fluctuacions angulars en el camp de desplaçament al vermell de l’espectre de galàxies com a font d’informació cosmològica del nostre univers. Es tracta d’utilitzar δz(n̂), que consisteix en les estatístiques de mapes del cel de projeccions de desplaçaments al vermell sota una finestra gaussiana σz centrada en un desplaçament al vermell zobs i ponderada pel camp de densitat galàctica. Els tres autors computen l’espectre de potència angular del camp δz(n̂) en simulacions numèriques i en teoria de pertorbació lineal, i conclouen que el camp és sensible a la densitat subjacents i als camps de velocitat peculiar. Com que per a finestres estretes (σz < 0,3) no hi ha pràcticament correlació amb el camp de densitat angular galàctica projectada, i no es veu afectat pels errors sistemàtics del nombre observat de galàxies que hi tenen un desplaçament al vermell independent, conclouen que δz(n̂) és una mesura tomogràfica simple i robusta de la densitat i dels camps de velocitat còsmics. Complementada amb l’agregació angular, aquesta observable ajudaria a completar els projectes actuals d’exploració dels desplaçament al vermell de les galàxies del nostre univers.

Sensibilitat del contrast de densitat galàctica bidimensional (línia negra) i de les fluctuacions angulars de desplaçament al vermell (línia vermella).

El desplaçament al vermell de l’espectre electromagnètic d’objectes còsmics

Carlos Hernández-Monteagudo és membre del Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón (CEFCA), unitat associada al CSIC amb seu a Teruel, així com del Instituto de Astrofísica de Canarias, amb seu a La Laguna (Tenerife), i al Departament d’Astrofísica de la Universidad de La Laguna.

Jonás Chaves-Montero és membre de la HEP Division de l’Argonne National Laboratory, amb seu a Lemont (Illinois).

Raúl Angulo és membre de Centre de Física Internacional de Donostia (DIPC) i l’Ikerbasque.

En el decurs d’aquesta recerca discutiren amb Giovanni Aricò, Guillaume Hurier, Eiichiro Komatsu i Jordi Miralda Escudé. Comptaren amb el finançament del Ministeri espanyol de Ciència, Innovació i Universitats (AYA2015-66211-C2-2 i PGC2018-097585-B-C21), i del projecte Marie CurieCIG9-GA-2011-294183, així com de l’European Research Council (ERC-StG/716151 d’Angulo). Utilitzaren el sistema de computació científica d’alta capacitat del CEFCA, i el programari healpix. Hernández-Monteagudo trameté l’article el 10 d’agost del 2020. Després d’una revisió enviada el 28 de setembre, l’article fou acceptat l’endemà, i publicat el passat 25 de març per tal de poder entrar al número de maig de “Monthly Notices”.

L’espectre electromagnètic dels objectes còsmics, com de qualsevol objecte, es caracteritza per unes línies espectrals (d’emissió o d’absorció), que depenen dels components que l’integren. Les velocitats radials dels objectes, és a dir la velocitat amb la qual s’acosten o s’allunyen de l’observador, comporten, per l’efecte Doppler, un desplaçament. En objectes que s’hi acosten, el desplaçament de les línies espectrals es realitza cap a la banda de l’espectre més energètic (de menor longitud d’ona) i, si ens fixem únicament en la part visible de l’espectre, hom pot parlar d’un “desplaçament al blau”. En objectes que s’hi allunyen, en canvi, el desplaçament de les línies espectrals es fa cap a la banda menys energètic (de major longitud d’ona), o sigui, en correspondència, hi ha un “desplaçament al vermell”.

Fa uns cent anys, Edwin Hubble trobà que les galàxies o nebulae, per norma general, presenten un desplaçament al vermell de línies de l’espectre electromagnètic. Vers el 1929, Hubble remarcà que el desplaçament al vermell de cada galàxia es correlacionava amb la seva distància (determinada a través de la magnitud relativa d’estels variables cefeids). Dit d’una altra manera, com més lluny de nosaltres és una galàxia, major és la velocitat amb la qual s’allunya de nosaltres. L’univers s’expandeix.

L’observació de Hubble havia anat en paral·lel amb el desenvolupament de models cosmològics dinàmics que partien de la teoria de la relativitat general d’Albert Einstein (1917). El 1922, Alexander Friedmann havia presentat un d’aquests models cosmològics, i Georges Lemaître, en el 1927, havia suggerit un univers en expansió.

Amb el “flux de Hubble”, Lemaître disposava d’un observable cosmològic, i el 1931, deduïa que l’origen de l’univers havia estat un estadi inicial de màxima densitat i màxima temperatura. Per als astrònoms, el “desplaçament al vermell” podia servir per fer una estimació de la distància a la qual es trobava una galàxia.

En aquesta visió, el desplaçament al vermell dels espectres d’objectes extragalàctics és una expressió de l’expansió de l’univers. El 1987, Nick Kaiser es fixà en les distorsions en el desplaçament al vermell que s’apartaven d’aquesta expansió. Aquestes distorsions (RSD, en l’acrònim anglès) obeirien a moviments peculiars de galàxies, motivats per l’existència de camps gravitatoris locals especialment potents. El 2001, John Peacock emprà mesures de RSD com a observable cosmològic, és a dir com una font d’informació sobre el contingut i distribució de matèria gravitatòria en l’univers i, complementàriament, sobre la pròpia gravitació universal.

L’observable cosmològic que fomentà l’acceptació del “Big Bang” de Lemaître fou la radiació còsmica de microones (CMB en l’acrònim anglès). La combinació de RSD i CMB, des de la primera dècada del segle XXI, ha estat explotada per mesurar els fluxos materials a gran escala.

A banda de l’univers en expansió, la teoria general de la relativitat té altres conseqüències, com ara l’impacte dels camps gravitatoris tant de la font d’emissió electromagnètic com del receptor. En el 1967, fou enunciat el que ara és coneix com a efecte integrat Sachs-Wolfe (ISW en l’acrònim anglès). Durant la passada dècada, hom començà a aprofitar els desplaçaments al vermell de galàxies per mesurar els “pous gravitatoris” de cúmuls galàctics.

Aquestes línies de recerca depenen de l’obtenció de dades massives del desplaçament al vermell de galàxies a través de fotometria d’espectres i de multibandes. Si el CMB és estudiat com un camp, Hernández-Monteagudo et al. proposen fer el mateix amb el desplaçament al vermell. Les anisotropies en el desplaçament al vermell de les galàxies ofereixen informació cosmològica sobre l’evolució, la gravitació i l’estructura a gran escala de l’univers.

Considerar les fluctuacions angulars de desplaçament al vermell d’acord amb la densitat de galàxies

Hernández-Monteagudo et al. consideren les fluctuacions o anisotropies del camp de desplaçament al vermell ponderades per la densitat galàctica. Per a cada punt, es registra un desplaçament al vermell (zobs), i s’obre una finestra gaussiana: hom agrega les diferències entre la zobs) i la zj de cadascuna de les galàxies que hi entren; i la ponderació es fa per la densitat de galàxies existents en la finestra.

Si hom abstrau el desplaçament al vermell induït pel flux de Hubble, que obeeix a la distància comovent r de cada galàxia, hom pot deduir la velocitat pròpia peculiar de cada galàxia, és a dir el seu desplaçament al blau (si s’acosta a nosaltres) o el desplaçament al vermell (si s’hi allunya).

El nombre de galàxies de la finestra, a diferents distàncies (estimades pel desplaçament al vermell fent correcció de les velocitats peculiars), informa alhora de la densitat de matèria total.

En aquestes estimacions, hom assum un univers isotròpic i pla. En futurs treballs, Hernández-Monteagudo et al. tenen la intenció de fer-hi correccions relativístiques sobre la descripció newtoniana que hi apliquen.

La comparació amb els resultats de simulacions cosmològiques

Hernández-Monteagudo et al. comparen les llurs expressions analítiques amb els resultats de simulacions cosmològiques d’acceleració lagrangiana comovent. L’acord és bo, per bé que a escala petita s’evidencien efectes no-lineals.

El camp δz(n̂) és sensible a velocitats peculiars i al creixement d’estructura. Com a σz seleccionen 0,01, i com a kmax 0,15 hMpc-1. Per a cada coordenada del cel i cada desplaçament al vermell, δz(n̂) ofereix un valor. Hernández-Monteagudo et al. presenten prediccions de primer ordre en la teoria de pertorbació lineal (LPT en l’escenari ΛCDM, però també hi cabrien eventualment correccions de LPT d’ordre superior que incloguessin efectes relativístics o modificacions de la teoria de la gravetat.

Es pot emprar δz(n̂) per obtindre paràmetres cosmològics a partir de les observacions de BOSS de galàxies vermelles lluminoses i quàsars, o de les observacions espectrofotomètriques de J-PAS. L’aplicació del camp δz(n̂) sobre els mapes de CMB permetria l’estudi de l’efecte Sunyaev-Zeldovich cinètic per a qualsevol z. Així doncs, el camp δz(n̂) oferiria una visió directa de la distribució d’inhomogeneïtats de matèria per a qualsevol època cosmològica. Com que no es requereix una conversió de z observada a distància, també s’hi podrien detectar desviacions del model cosmològic estàndard.

Lligams:

- Density weighted angular redshift fluctuations: a new cosmological observable. Carlos Hernández-Monteagudo, Jonás Chaves-Montero, Raúl E Angulo. Monthly Notices of the Royal Astronomical Societty: Letters 503 L56-L61 (2021).