Descubriendo el origen del universo: Investigadores analizan más de un millón de galaxias para arrojar nueva luz.

Un estudio transformador analizó más de un millón de galaxias para explorar los orígenes de la estructura cósmica, revelando alineaciones significativas en las formas de las galaxias a través de vastas distancias. Esta investigación, utilizando métodos innovadores y confirmando aspectos de la teoría de la inflación, marca un avance significativo en la comprensión de la formación del universo.

Un equipo de investigadores ha analizado más de un millón de galaxias para explorar el origen de las estructuras cósmicas actuales, según un estudio reciente publicado en Physical Review D como una sugerencia de los editores.

Hasta hoy, observaciones y análisis precisos del fondo cósmico de microondas (CMB) y la estructura a gran escala (LSS) han llevado al establecimiento del marco estándar del universo, el llamado modelo ΛCDM, donde la materia oscura fría (CDM) y la energía oscura (la constante cosmológica, Λ) son características significativas.

Una imagen obtenida a partir de observaciones de la estructura a gran escala del universo. Los numerosos objetos mostrados en amarillo a rojo representan galaxias que se encuentran a cientos de millones de años luz de la Tierra. Las galaxias tienen una amplia variedad de colores y formas, y son demasiado numerosas para contar en la inmensidad del espacio. La distribución espacial y el patrón de forma de estas galaxias no son aleatorios, sino que tienen "correlaciones" que provienen de propiedades estadísticas de las fluctuaciones primordiales de semillas como fue predicho por la inflación. Crédito: Subaru HSC

Este modelo sugiere que las fluctuaciones primordiales se generaron al comienzo del universo o en el universo temprano, lo que actuó como desencadenantes, dando lugar a la creación de todas las cosas en el universo, incluyendo estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y su distribución espacial en todo el espacio. Aunque son muy pequeñas al generarse, las fluctuaciones crecen con el tiempo debido a la fuerza gravitacional de atracción, formando eventualmente una región densa de materia oscura, o un halo. Luego, diferentes halos colisionaron y se fusionaron repetidamente entre sí, dando lugar a la formación de objetos celestes como galaxias.

Dado que la naturaleza de la distribución espacial de las galaxias está fuertemente influenciada por la naturaleza de las fluctuaciones primordiales que las crearon en primer lugar, se han realizado análisis estadísticos de las distribuciones de galaxias para explorar observacionalmente la naturaleza de las fluctuaciones primordiales. Además de esto, el patrón espacial de las formas de las galaxias distribuidas en una amplia área del universo también refleja la naturaleza de las fluctuaciones primordiales subyacentes.

Sin embargo, el análisis convencional de la estructura a gran escala se ha centrado solo en la distribución espacial de las galaxias como puntos. Más recientemente, los investigadores han comenzado a estudiar las formas de las galaxias, porque no solo proporciona información adicional, sino que también ofrece una perspectiva diferente sobre la naturaleza de las fluctuaciones primordiales.

Visualización de cómo las fluctuaciones primordiales "diferentes" del universo conducen a la diferente distribución espacial de la materia oscura. La figura central (común a las filas superior e inferior) muestra las fluctuaciones en la distribución gaussiana de referencia. La gradación de color (azul a amarillo) corresponde al valor de la fluctuación en esa ubicación (regiones de baja a alta densidad). Las figuras izquierda y derecha muestran fluctuaciones que se desvían ligeramente de la distribución gaussiana o son no gaussianas. El signo entre paréntesis indica el signo de la desviación de la gaussianidad, correspondiendo a una desviación negativa (-) a la izquierda y una desviación positiva (+) a la derecha. La fila superior es un ejemplo de no gaussianidad isotrópica. En comparación con la fluctuación gaussiana central, la figura izquierda muestra un aumento en regiones negativas grandes (azul oscuro), mientras que la figura derecha muestra un aumento en regiones positivas grandes (amarillo brillante). Se sabe que podemos buscar este tipo de no gaussianidad isotrópica utilizando la distribución espacial de las galaxias observadas. El panel inferior muestra un ejemplo de no gaussianidad anisotrópica. En comparación con el caso isotrópico en el panel superior, el brillo y la oscuridad general no han cambiado desde la fluctuación gaussiana en el panel central, pero la forma de cada región ha cambiado. Podemos buscar esta no gaussianidad "anisotrópica" a partir del patrón espacial de las formas de las galaxias. Crédito: Kurita & Takada

Un equipo de investigadores, liderado en ese momento por el estudiante de posgrado del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU), Toshiki Kurita (actualmente investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astrofísica) y el profesor del Kavli IPMU, Masahiro Takada, desarrolló un método para medir el espectro de potencia de las formas de las galaxias, que extrae información estadística clave de los patrones de forma de las galaxias mediante la combinación de datos espectroscópicos de la distribución espacial de las galaxias y datos de imagen de las formas individuales de las galaxias.

The researchers simultaneously analyzed the spatial distribution and shape pattern of approximately one million galaxies from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), the world’s largest survey of galaxies today.

As a result, they successfully constrained statistical properties of the primordial fluctuations that seeded the formation of the structure of the entire universe.

The blue dots and error bars are the values of the galaxy shape power spectrum. The vertical axis corresponds to the strength of correlation between two galaxy shapes, i.e., the alignment of the galaxy shape orientations. The horizontal axis represents the distance between two galaxies, with the left (right) axis representing the correlation between more distant (closer) galaxies. The gray dots indicate non-physical apparent correlations. The fact that this value is zero within error, as expected, confirms that the blue measured points are indeed astrophysically-origined signals. The black curve is the theoretical curve from the most standard inflationary model, and it is found to be in good agreement with the actual data points. Credit: Kurita & Takada

They found a statistically significant alignment of the orientations of two galaxies’ shapes more than 100 million light-years apart. Their result showed correlations exist between distant galaxies whose formation processes are apparently independent and causally unrelated.

“In this research, we were able to impose constraints on the properties of the primordial fluctuations through statistical analysis of the ‘shapes’ of numerous galaxies obtained from the large-scale structure data. There are few precedents for research that uses galaxy shapes to explore the physics of the early universe, and the research process, from the construction of the idea and development of analysis methods to the actual data analysis, was a series of trial and error. Because of that, I faced many challenges. But I am glad that I was able to accomplish them during my doctoral program. I believe that this achievement will be the first step to open up a new research field of cosmology using galaxy shapes,” said Kurita.

Furthermore, a detailed investigation of these correlations confirmed they are consistent with the correlations predicted by inflation, and do not exhibit a non-Gaussian feature of the primordial fluctuation.

“This research is the result of Toshiki’s doctoral dissertation. It’s a wonderful research achievement in which we developed a method to validate a cosmological model using galaxy shapes and galaxy distributions, applied it to data, and then tested the physics of inflation. It was a research topic that no one had ever done before, but he did all three steps: theory, measurement, and application. Congratulations! I am very proud of the fact that we were able to do all three steps. Unfortunately, I did not make the great discovery of detecting a new physics of inflation, but we have set a path for future research. We can expect to open up further areas of research using the Subaru Prime Focus Spectrograph,” said Takada.

The methods and results of this study will allow researchers in the future to further test inflation theory.