El projecte Physics of the Accelerating Univers Survey (PAUS), una col·laboració internacional liderada per l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), dependent del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats (MICIU), en la qual participen 14 institucions de sis països, publica un catàleg pioner de distàncies còsmiques. Aquest catàleg recull dades recopilades durant 200 nits entre el 2015 i el 2019 utilitzant la càmera PAUCam del telescopi William Herschel (WHT) a La Palma. Es publica avui a la web de PAUS i al portal CosmoHub. Aquesta publicació es detalla en dos articles publicats avui a la revista Monthly Notices de la Royal Astronomical Society (MNRAS): un sobre la mesura de les distàncies i un altre sobre el calibratge de les dades de PAUS.

Aquest nou catàleg proporciona informació de milions de galàxies llunyanes, determinant-ne les distàncies amb una precisió sense precedents amb un camp de visió i una profunditat mai explorats. El cartografiat cobreix una àmplia àrea de cel de 50 graus quadrats, semblant a una àrea d’aproximadament 250 llunes plenes, que engloba dades d'1,8 milions d’objectes astronòmics. Aquesta mirada més profunda permetrà a astrònoms i astrònomes crear mapes més precisos per comprendre com es forma l’estructura a l’univers, així com estudiar la matèria fosca i l’energia fosca.

La càmera de l’instrument, anomenada PAUCam, va ser dissenyada especialment per mesurar amb precisió les distàncies a les galàxies, cosa que permet estudiar l’expansió de l’univers sota la influència de la matèria fosca i l’energia fosca. El projecte es basa en imatges profundes existents dels cartografiats Canada-France-Hawaii Telescope Lensing Survey (CFHTLenS) del Canada-France-Hawaii Telescope, en Hawaii, i el Kilo-Degree Survey (KiDS) realiztat amb el VLT Survey Telescope a Xile, que pertany a l’Observatori Europeu Austral (ESO).Combinant aquests conjunts de dades, el projecte PAUS ha obtingut informació molt precisa sobre la distància i el temps dels objectes de l’espai profund.

L’expansió accelerada de l’univers s’atribueix a l’energia fosca, que constitueix al voltant del 70% de l’univers, però la seva naturalesa continua sent una incògnita. El cartografiat PAUS ajudarà a aclarir aquest enigma, ja que proporciona una caracterització precisa i completa de milions de galàxies situades fins a distàncies de més de 10.000 milions d’anys llum de nosaltres. Aquest catàleg és un recurs valuós per a la comunitat astronòmica en contribuir a l’anàlisi científica i el calibratge d’altres cartografiats cosmològics.

“El cartografiat PAUS ofereix un enfocament revolucionari per a la creació de mapes còsmics, que és possible gràcies al disseny i desenvolupament d’un instrument nou i un cartografiat dedicat a recopilar i analitzar dades de formes que mai no s’han dut a terme. Ha estat un privilegi col·laborar amb un grup tan talentós i fiable”, afirma Enrique Gaztañaga, director del cartografiat PAUS, que va començar el 2015, i actualment professor de l’Institut de Cosmologia i Gravitació de la Universitat de Portsmouth, en excedència de l’ICE-CSIC i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC).

Una fita en recerca còsmica

Aquest catàleg representa un avenç significatiu en la recerca còsmica, ja que ofereix mesures fotomètriques del desplaçament cap al roig que determinen les distàncies a les galàxies tal com van aparèixer fa milers de milions d’anys. Per obtenir aquestes mesures, la càmera PAU empra 40 filtres de diferents colors que representen bandes estretes a l’espectre òptic. Aquesta tècnica implica fotografiar el mateix camp diverses vegades mitjançant diversos filtres de color. A mesura que els objectes s’allunyen de nosaltres, la llum que emeten experimenta un decalatge cap al roig, desplaçant-se cap a l’extrem vermell de l’espectre. En astronomia, el desplaçament cap al roig és crucial per calcular la distància d’un objecte a la Terra. Mentre que els estudis còsmics espectroscòpics d’última generació, actuals i futurs, estan equipats amb grans plans focals que permeten la mesura simultània dels desplaçaments cap al roig de milers de galàxies preseleccionades —adquirint centenars de desplaçaments cap al roig de galàxies per grau quadrat en una sola observació d’un total d’aproximadament 30.000 galàxies al límit de profunditat desitjat—, l’estudi PAUS adopta un enfocament diferent. El projecte PAUS no requereix la preselecció de galàxies. En el seu lloc, utilitza els 40 filtres per mesurar els desplaçaments cap al roig de les 30.000 galàxies dins del camp de visió alhora, encara que amb una resolució espectral menor.

“La precisió en mesurar distàncies de galàxies depèn del nombre de filtres que es facin servir, ja que cada filtre proporciona informació diferent sobre la galàxia. El gran avantatge de PAUS és que combina informació de 40 filtres diferents, cosa que permet realitzar mesuraments de distàncies de gran precisió. Aquest nivell de precisió és crucial per a l’estudi de l’estructura de l’univers, que requereix dades d’un gran nombre de galàxies”, afirma David Navarro-Gironés, investigador predoctoral a l’ICE-CSIC i primer autor d’un dels articles publicats avui a MNRAS.

El cartografiat PAUS proporciona informació completa, en un rang de flux determinat i de gran precisió sobre el desplaçament cap al roig i la distribució de l’energia espectral de milions de galàxies i estrelles, aconseguint una profunditat i una àrea inexplorades anteriorment. Això s’aconsegueix sense la necessitat de seleccionar una sèrie d’objectius específics, cosa que suposa una eina potent per comprendre millor la selecció de mostres i la integritat dels cartografiats astronòmics.

Contribució internacional al cartografiat PAUS

Una col·laboració internacional entre Espanya, el Regne Unit, Països Baixos, Suïssa, Alemanya i la Xina ha fet possible el cartografiat PAUS. L’explotació científica de les dades del catàleg PAUS -incloent-hi observacions, reducció i calibratge de dades, simulacions, desplaçament cap al roig fotomètric i anàlisi d’agrupament de galàxies- ha estat liderada per l’ICE-CSIC, juntament amb l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) i altres institucions a Espanya com el Port d’Informació Científica (PIC, centre gestionat per l’IFAE i el CIEMAT), l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), l’Institut de Física Teòrica (IFT-UAM/ CSIC) i el Centre d’Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT).

La construcció i integració de la càmera PAU es va realitzar íntegrament a Barcelona, ​​sota la direcció de l’IFAE en col·laboració amb l’ICE-CSIC, el PIC, l’IEEC, el CIEMAT i l’IFT-UAM/CSIC. L’IFAE, juntament amb el CIEMAT, va ser responsable del disseny, producció, proves i instal·lació de tota l’electrònica de PAUCam. l’ICE-CSIC també va tenir un paper en la reducció de dades, el calibratge, els processos d’anàlisi automatitzats i la distribució de dades, treballant en estreta col·laboració amb el PIC, que actua com a centre de dades de PAUS. El CIEMAT també va ser responsable de les proves i la validació dels filtres i de la producció i instal·lació de diverses parts mecàniques de la càmera.

La posada en servei i la primera llum de PAUCam al telescopi WHT de 4,2 metres van tenir lloc el 2015 per part d’aquests grups a Espanya, amb la inestimable ajuda del personal d’enginyeria del WHT del Grup de Telescopis Isaac Newton (ING) a La Palma. Després d’aquesta fita, es va formar una col·laboració internacional el 2015, que incloïa la Universitat de Durham (Regne Unit), l’Observatori de Leiden (Països Baixos), la Ruhr-Universität Bochum (Alemanya), el University College London (UCL, Regne Unit), l’ETH de Zuric (Suïssa), l’Institut de Cosmologia i Gravitació de la Universitat de Portsmouth (Regne Unit) i la Universitat de Tsinghua (Xina). Aquestes institucions van contribuir amb finançament extern, recursos humans i experiència, jugant un paper crucial en l’execució i l’explotació del projecte PAUS.

Els equips de Leiden, Regne Unit i Espanya, com a membres del Grup de Telescopis ING, també van garantir temps d’observació competint amb èxit en 10 concursos internacionals entre el 2015 i el 2019. A més, altres grups externs han tingut l’oportunitat d’utilitzar la PAUCam com a instrument per a diferents campanyes d’observació.

Explotació científica

Les bases del projecte PAUS es van asseure al voltant del 2007, en el marc de la iniciativa Consolider Enginy 2010, finançada pel govern d’Espanya. Els grups espanyols esmentats anteriorment van continuar el projecte, construint PAUCam per al seu ús al telescopi WHT i formant la col·laboració PAUS, que va preparar l’anàlisi de les dades que ara es publiquen.

“Començar una col·laboració de diversos grups espanyols i continuar-la amb un instrument molt ambiciós, malgrat comptar amb recursos materials i humans força limitats, no va estar exempt de riscos. No obstant això, la veritat és que la càmera va funcionar correctament gairebé des del primer moment. És igualment destacable que sis grups europeus i un de xinès es van unir a PAUS per a l’anàlisi de dades, aportant els seus propis recursos”, assenyala Enrique Fernández, de l’IFAE i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), que va liderar el Projecte PAU Consolider i la col·laboració PAUS durant els seus primers anys. Nou anys després de la seva primera llum el 2015, PAUS ha aconseguit una fita: ha mesurat les distàncies de nombroses galàxies llunyanes amb una precisió relativa del 0,3%. L’equip està utilitzant actualment aquestes dades per millorar el calibratge dels sondejos cosmològics existents. Per exemple, les dades de PAUS s’estan utilitzant per millorar les anàlisis de lents gravitacionals febles i simulacions per a missions espacials que estudien l’energia fosca, com la missió Euclid de l’ESA i el Legacy Survey of Space and Time (LSST) de l’Observatori Rubin. A més, aquestes mostres poden refinar les distribucions de desplaçament cap al roig per a aquestes missions, com ja s’ha fet per a les col·laboracions científiques Kilo-Degree Survey (KiDS) i el Dark Energy Survey (DES).

“A més dels desplaçaments al vermell d’alta precisió, els 40 filtres de banda estreta de PAUS ofereixen una finestra única a l’evolució i l’entorn de les galàxies. Amb PAUS, podem observar directament línies d’emissió intenses i discontinuïtats espectrals, cosa que normalment es reserva per a estudis espectroscòpics més lents i costosos. Aquestes observacions ens permeten delimitar millor l’edat i la composició de les galàxies, identificar quàsars amb gran precisió i fins i tot poden proporcionar una finestra als núvols de gas difusos que hi ha al voltant i entre galàxies", comenta Pablo Renard, investigador postdoctoral a la Universitat de Tsinghua i actualment director de dades de PAUS.

En els mesos vinents, l’equip també presentarà un estudi actualment en desenvolupament sobre l’agrupació de galàxies i les característiques intrínseques de la seva forma, contribuint a una millor comprensió de com es va formar i evolucionar el nostre univers.