Christoph Saulder, Postdoc at KASI
Octubre 11, 2021
Si bien el objetivo principal de DESI es obtener desplazamientos al rojo espectroscópicos para millones de galaxias para mapear la historia de expansión del universo, también existen programas de focalización secundaria que complementan el sondeo principal de DESI y sus objetivos científicos. El sondeo de velocidades peculiares de DESI es uno de estos programas y tiene como objetivo mejorar las mediciones de parámetros cosmológicos en el universo local.
Y sin embargo se mueve…
Incluso cuando se tiene en cuenta la expansión del universo (“el flujo de Hubble”), las galaxias no se quedan sin hacer nada, sino que se mueven debido a sus interacciones gravitacionales mutuas. Estos movimientos propios, a los que se hace referencia como velocidades peculiares en nuestro contexto, codifican información sobre la distribución de la materia. Por defecto, DESI mide los corrimientos al rojo de las galaxias, que son una combinación de los corrimientos al rojo cosmológicos causados por la expansión del universo y los corrimientos al rojo causados por movimientos peculiares. Como los corrimientos al rojo cosmológicos se correlacionan con las distancias a estas galaxias, se pueden usar indicadores de distancia independientes del corrimiento al rojo en combinación con las mediciones del corrimiento al rojo para obtener las velocidades peculiares (radiales) de estas galaxias. Como queremos medir las velocidades peculiares para un gran número de muestras, no podemos esperar a que una rara supernova de tipo Ia explote en cada una de ellas y la mayoría de ellas están demasiado lejos para que podamos resolver las estrellas variables Cefeidas. Por lo tanto, tenemos que confiar en indicadores de distancia independientes del corrimiento al rojo menos precisos, pero más fácilmente accesibles, como las relaciones de escala de galaxias, en particular el plano fundamental y la relación de Tully-Fisher. Estos nos permiten medir las distancias, y por lo tanto las velocidades peculiares, a un gran número de galaxias en el universo local (con un corrimiento al rojo de menos de 0.1).
Las aguas tranquilas corren profundas…
La relación de escala que obedece una galaxia depende de su tipo morfológico. Las galaxias que esencialmente no tienen gas frío y, por lo tanto, no tienen formación estelar en curso, aparecen como galaxias elípticas de aspecto relativamente aburrido. Estas galaxias en reposo siguen el plano fundamental, que relaciona la cinemática interna de estas galaxias expresada como la dispersión de velocidad central con su brillo superficial y tamaño físico. Al comparar el tamaño físico predicho por esta relación con su tamaño angular en el cielo, podemos obtener la distancia a dicha galaxia mediante el uso de trigonometría simple. Si bien las mediciones del tamaño angular y el brillo superficial se pueden realizar con los datos ya recopilados de el sondeo fotométrico DESI Legacy Imaging Survey, necesitaremos datos espectroscópicos para la dispersión de la velocidad central. La dispersión de la velocidad central cuantifica la dispersión estadística del movimiento de las estrellas en el centro de una galaxia.
En DESI, las fibras recolectan espectros de las partes más internas de estas galaxias. En estos espectros, la dispersión de la velocidad central se manifiesta como un ensanchamiento de las líneas espectrales. Sin embargo, para recuperar de manera confiable estas características, se necesitan datos espectroscópicos de excelente calidad. Afortunadamente, la mayoría de nuestros objetivos son galaxias brillantes, que son áreas enmascaradas en las que no hay galaxias de alto corrimiento al rojo apuntadas en DESI durante el tiempo de oscuridad (las mejores condiciones de observación). Esto significa que nuestras observaciones adicionales tienen poca competencia y, en el transcurso de el sondeo de DESI, podremos recopilar los datos que necesitamos sin interferir con las principales observaciones de DESI.
Da vueltas y vueltas…
La velocidad máxima de rotación de las galaxias espirales está estrechamente relacionada con su luminosidad absoluta a través de la llamada relación Tully-Fisher. Al comparar la luminosidad absoluta predicha con la luminosidad aparente observada en el DESI Legacy Imaging Survey, se puede derivar la distancia a estas galaxias. La velocidad de rotación máxima se puede medir colocando fibras a lo largo del eje semi-mayor de la galaxia y simplemente comparando los corrimientos al rojo medidos en estas ubicaciones. Como nuestros objetivos son galaxias grandes y brillantes, la geometría de DESI a menudo incluso requiere que se coloquen fibras en algún lugar de estas galaxias, por lo que nos aseguramos de que terminarán en la mejor ubicación posible para maximizar nuestra producción científica.
La respuesta a la vida, el universo y todo
Si bien parece simple, pasar de los corrimientos al rojo y las mediciones de distancia independientes del corrimiento al rojo a movimientos peculiares, se requiere mucho modelado cuidadoso de todo tipo de sesgos y efectos de selección. Al final, queremos obtener medidas sólidas para los parámetros cosmológicos a partir de los datos. Las velocidades peculiares pueden complementar las mediciones sobre el crecimiento de la estructura que generalmente son de las distorsiones espaciales de desplazamiento al rojo y, por lo tanto, podemos obtener restricciones más estrictas sobre el parámetro cosmológico f σ8, también denominado tasa de crecimiento (de la estructura). Su evolución a lo largo del tiempo y su dependencia de escala se pueden utilizar para probar posibles desviaciones de la relatividad general. Además, al utilizar las relaciones de escala de galaxias como indicadores de distancia, podemos recopilar datos sobre la cinemática de una gran muestra de galaxias que nos ayudarán a comprender mejor la relación del halo de la materia oscura.
Paso a paso…
Pudimos obtener nuestras primeras mediciones utilizando los datos de validación de el sondeo de DESI, en particular la muestra del 1%. Estos primeros resultados nos ayudaron a probar y mejorar nuestros métodos de selección de objetivos, que ahora se aplican a la encuesta principal DESI en curso. Actualmente estamos preparando varias publicaciones, que se darán a conocer junto con la primera liberación pública de datos de DESI, que presentarán los detalles de nuestros métodos de selección de objetivos y los primeros resultados del plano fundamental y la relación Tully-Fisher. Si bien los datos recopilados hasta ahora son suficientes para las calibraciones básicas de nuestros métodos, aún pasarán años hasta que se complete el sondeo y tengamos datos suficientes para obtener resultados científicos sólidos y la posibilidad de descubrir cualquier física nueva más allá de nuestro modelo estándar actual.
