Mapping a record-breaking 1.2 million galaxies to study dark energy

The rectangle on the far left shows a cutout of 1000 sq. degrees in the sky containing nearly 120,000 galaxies, or roughly 10% of the total survey. Image credit: Jeremy Tinker and the SDSS-III collaboration

Astronomers had map a record-breaking 1.2 million galaxies to study the properties of dark energy and they announced this week the sharpest results yet on the properties of dark energy, currently driving the accelerated expansion of the Universe. To achieve it, hundreds of scientists from the Sloan Digital Sky Survey III (SDSS-III) collaborated to make the largest-ever, three-dimensional map of distant galaxies. The scientists then used this map to make one of the most precise measurements yet of the dark energy. 

“We have spent a decade collecting measurements of 1.2 million galaxies over one quarter of the sky to map out the structure of the Universe over a volume of 650 cubic billion light years,” says Jeremy Tinker of New York University, a co-leader of the scientific team that led this effort. “This map has allowed us to make the best measurements yet of the effects of dark energy in the expansion of the Universe. We are making our results and map available to the world.”

These new measurements were carried out by the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) program of SDSS-III. Shaped by a continuous tug-of-war between dark matter and dark energy, the map revealed by BOSS allows astronomers to measure the expansion rate of the Universe and thus determine the amount of matter and dark energy that make up the present-day Universe. A collection of papers describing these results was submitted last week to the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

BOSS measures the expansion rate of the Universe by determining the size of the baryon acoustic oscillations (BAO) in the three-dimensional distribution of galaxies. In cosmology, baryon acoustic oscillations (BAO) are regular, periodic fluctuations in the density of the visible baryonic matter (normal matter) of the universe. The original BAO size is determined by pressure waves that travelled through the young Universe up to when it was only 400,000 years old (the Universe is presently 13.8 billion years old), at which point they became frozen in the matter distribution of the Universe. The end result is that galaxies are preferentially separated by a characteristic distance, that astronomers call the acoustic scale.

This is one slice through the map of the large-scale structure of the Universe from the
Sloan Digital Sky Survey and its Baryon Oscillation Spectroscopic Survey.
Each dot in this picture indicates the position of a galaxy 6 billion years into the past.
Image credit: Daniel Eisenstein and the SDSS-III collaboration

The size of the acoustic scale at 13.48 billion years ago has been exquisitely determined from observations of the cosmic microwave background from the light emitted when the pressure waves became frozen. Measuring the distribution of galaxies since that time allows astronomers to measure how dark matter and dark energy have competed to govern the rate of expansion of the Universe.

Ariel Sanchez of the Max-Planck Institute of Extraterrestrial Physics led the effort to estimate the exact amount of dark matter and dark energy based on the BOSS data and explains: “Measuring the acoustic scale across cosmic history gives a direct ruler with which to measure the Universe’s expansion rate. With BOSS, we have traced the BAO’s subtle imprint on the distribution of galaxies spanning a range of time from 2 to 7 billion years ago.”

Rita Tojeiro of the University of St. Andrews is the other co-leader of the BOSS galaxy clustering working group along with Tinker. “If we were to scale the volume of our survey to a cube 1 mile on each side, then the visible part of an individual galaxy would be about 1 millimeter across,” she explains. “Our challenge in the analysis of this map was equivalent to measuring the distances between all the pairs of galaxies separated by 100 yards throughout a cubic mile of space!”

Sources: The Sloan Digital Sky Survey (SDSS), Wikipedia

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Cartografiando 1,2 millones de galaxias rompiendo un record en el estudio de la energía oscura 

An illustration of the concept of baryon acoustic oscillations.
Illustration courtesy of Chris Blake and Sam Moorfield

Los astrónomos han cartografiado 1,2 millones de galaxias rompiendo así un record para poder estudiar las propiedades de la energía oscura habiendo anunciado esta semana los resultados más precisos nunca antes obtenidos de las propiedades de la energía oscura, que actualmente es la causante de la aceleración en la expansión del universo. Para logarlo, cientos de científicos del Digital Sky Survey III (SDSS-III) colaboraron para realizar el mapa en 3-D más grande que jamás antes se había realizado de las distantes galaxias. Tras lo cual, los científicos usaron el mapa en la elaboración de una de las mediciones más precisas sobre la energía oscura realizada.

“Hemos tardado una década en recabar mediciones de 1,2 millones de galaxias a lo largo de un cuarto del firmamento para cartografiar la estructura del universo por un volumen de más de 650 millones cúbicos de años luz,” dijo Jeremy Tinker de la Universidad de Nueva York, colíder en el equipo de investigación que ha liderado esta hazaña. “Este mapa nos ha permitido realizar la mejor medición de los efectos de la energía oscura en la expansión del universo. Estamos facilitando los resultados y el mapa al mundo.”

Estas nuevas mediciones se llevaron a cabo con el Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) que pertenece al programa del SDSS-III. Conformado por una continua 'lucha de cuerda' entre ña materia oscura y la energía oscura, el mapa revelado por BOSS permite a los astrónomos medir el grado de expansión del universo y por lo tanto determinar la cantidad de materia y energía oscura que constituye el universo actual. Una serie de artículos describiendo estos resultados han sido presentados la semana anterior a la Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

BOSS mide el grado de expansión del universo determinando el tamaño de las Oscilaciones Acústicas Barión (BAO) en la distribución tridimensional de las galaxias. En cosmología, las Oscilaciones Acústicas Barión (BAO) son regulares, fluctuaciones periódicas en la densidad de la materia bariónica (materia normal) del universo. El tamaño original del BAO se halla a través de la presión de las ondas que viajan a lo largo del joven universo hasta que tenía tan solo 400.000 años de antigüedad (Actualmente el universo tiene una edad de 13,8 billones de años), y en que en dicho momento se congela en la distribución de la materia del universo. El resultado final es que las galaxias están preferentemente separadas por una distancia característica, a la que los astrónomos llaman escala acústica.

El tamaño de la escala acústica de hace 14,8 billones de años fue exquisitamente determinado por las observaciones de la radiación de fondo de microondas de la luz que se emitió cuando la presión de la onda se congeló. Cartografiar la distribución de las galaxias desde tal tiempo permite a los astrónomos medir como la materia oscura y la energía oscura han competido para gobernar la tasa en cuanto a la expansión del universo. 

all-sky picture of the infant universe created from nine years of WMAP data.
Credit: NASA / WMAP Science Team

Ariel Sánchez del Instituto Max-Planck de física extraterrestre ha liderado el trabajo en la estimación exacta de la cantidad de materia oscura y energía oscura basándose en la información de BOSS explicando: “medir la escala acústica a lo largo de la historia cósmica nos da una escala directa con la que medir la cuota de la expansión del universo. Con BOSS, hemos seguido el sutil rastro de la impronta del BAO en cuanto a la distribución de las galaxias extendiéndose en un rango de tiempo de entre 2 a 7 billones de años atrás.” 

Rita Tojeiro de la Universidad de St. Andrews es el otro colíder del grupo de trabajo de agrupamientos de galaxias con BOSS junto con Tinker. “Si fuésemos a dar escala al volumen de nuestra cartografía, sería del orden de un cubo del tamaño de una milla por lado, entonces la parte visible de una galaxia individual supondría un centímetro de ancho.” Explica Rita, “Nuestro reto en cuanto al análisis de este mapa fue equivalente a medir las distancias entre todas las parejas de galaxias separadas por 100 yardas a lo largo de una milla cubica de espacio!”. 

Fuentes: The Sloan Digital Sky Survey (SDSS), Wikipedia

Hubble Deep Field. Credit NASA/ESA/S, Beckwith(STScl) and the HUDF Team.