Cosmología y Astropartículas

Física de astropartículas: radiación cósmica y rayos gamma.

El Grupo de física de astropartículas del IAC participa en dos grandes colaboraciones: el Espectrómetro Alpha Magnético (AMS) de la Estación Espacial Internacional (ISS, en sus siglas en inglés) y los telescopios MAGIC .

AMS proporcionará información sobre el espectro y la composición química de la radiación cósmica a un nivel sin precedentes. El IAC planea usar los datos de AMS para estudiar los mecanismos de aceleración de los rayos cósmicos presentes en los ambientes astrofísicos más extremos (remanentes de supernova, pulsares, agujeros negros, etc.) y para entender la evolución química de los rayos cósmicos en nuestra galaxia debido a procesos de espalación en el medio interestelar (especies primarias como C, N, O, se transforman en elementos ligeros secundarios como Li, Be y B). Los datos de AMS combinados con observaciones complementarias de fotones de rayos gamma de muy alta energía (MAE) realizadas con los telescopios MAGIC nos darán una nueva visión sobre las fuentes de rayos cósmicos y de rayos gamma. En colaboración con MAGIC pretendemos estudiar también núcleos de rayos cósmicos a alto corrimiento al rojo, así como detectar materia oscura de forma indirecta utilizando estos experimentos.

Se han realizado también algunas actividades destacadas para promocionar la candidatura de los Observatorios de Canarias como sede del Observatorio Norte de CTA. En 2016, España y Japón acordaron la instalación de cuatro nuevos telescopios Cherenkov, que formarán parte del futuro CTA-Norte, en el Observatorio Roque de los Muchachos, en la isla de La Palma.

Cosmología

El Proyecto Severo Ochoa contribuye también a la financiación de los principales objetivos de la línea de Investigación en Cosmología:

  1. Estudio de la Física del Universo Temprano y de las ondas gravitacionales primordiales. El análisis de las anisotropías en la temperatura y la polarización de la radiación residual del Fondo Cósmico de Microondas (CMB, en sus siglas en inglés) constituye una herramienta fundamental para el estudio de las características físicas de nuestro universo y su evolución. Analizando la huella dejada en la polarización del CMB se puede confirmar genuinamente la existencia de un episodio inflacionario en el Universo Temprano a escalas energéticas de 10^16 GeV (12 órdenes de magnitud por encima de las alcanzables en el CERN). El Grupo de Cosmología del IAC participa en dos proyectos claves en la frontera de su campo: la misión Planck de la ESA, y el Experimento QUIJOTE-CMB  (donde R. Rebolo es co-I e IP respectivamente) con el objeto de delimitar aún más el período en que el universo fue inflacionario y en que se generaron ondas gravitatacionales primordiales. 

  2. Delimitar observacionalmente la naturaleza de la energía oscura realizando mapas espectroscópicos masivos del universo lejano. ¿Qué es la energía oscura? ¿Es la constante cosmológica de Einstein o se trata de un fenómeno dinámico con un grado (medible) de evolución? Estas preguntas solo pueden responderse utilizando sondas astrofísicas. El IAC está involucrado en una serie de experimentos (como el satélite Planck, los proyectos SDSSIII  BOSS y eBOSS, y el satélite de la ESA Euclid) que arrojarán luz sobre la dinámica específica de la expansión acelerada y la ecuación de estado de esta intrigante energía.

Objetivos específicos para 2020-2023:

  • Física de las astropartículas: estudio de los rayos cósmicos y de las fuentes de rayos gamma con AMS, MAGIC y CTA. Comprensión del origen, los mecanismos de propagación y la composición química de los rayos cósmicos. Primera ciencia con el telescopio de gran tamaño del Cherenkov Telescope Array. Contribuir a la astronomía multimensajero con el seguimiento de eventos transitorios. Búsqueda de la aniquilación de la materia oscura con los telescopios MAGIC y preparación de la ciencia TeV con CTA.
  • Estudios del fondo cósmico de microondas sobre la física del universo primitivo, las ondas gravitacionales primordiales y las edades oscuras del Universo. Obtener restricciones de los modos B primordiales combinando los experimentos de polarización del CMB en el Observatorio del Teide (QUIJOTE, STRIP, Groundbird, KISS) con Planck. Mejorar la detectabilidad de los modos B mediante futuros experimentos como Litebird (JAXA) a través de nuevos mapas de emisión de radio polarizada en el hemisferio norte y modelos del fondo de radio. Restricciones de la época de reionización a partir de las mediciones espectrales del CMB utilizando instrumentación recientemente desarrollada (TMS). Preparación científica de futuros instrumentos para medir las distorsiones espectrales (SKA, misiones espaciales).
  • Restricciones sobre la energía oscura, la materia oscura, las masas de neutrinos y la variación temporal de las constantes fundamentales con estudios espectroscópicos masivos (eBOSS, DESI, WEAVE, EUCLID, eROSITA, JPAS) y otros. Restricciones de los parámetros cosmológicos a partir de las mediciones de la estructura a gran escala a bajo corrimiento al rojo en 0,4<z con EUCLID, lo que lleva a la determinación de barras de error precisas para las mediciones de BAO y de la distorsión espectral del corrimiento al rojo. Restricciones de la ecuación de estado de la energía oscura y determinación del comportamiento dinámico utilizando los nuevos datos Lyman alpha con DESI.
  • Pruebas del modelo LCDM utilizando el efecto Sachs-Wolfe integrado. Búsqueda de partículas bosónicas ultraligeras: axiones y emisión de fotones oscuros a partir de consideraciones sobre la evolución estelar (por ejemplo, el extremo de la Rama de las Gigantes Rojas), y mejores restricciones a partir de la polarimetría de microondas.

Para ver los objetivos específicos anteriores, visite: web SO-IAC 2016-2019

Coordinador
Representante Científico de las Líneas de Investigación del Programa Severo Ochoa en el IAC
Representante Científico de las Líneas de Investigación del Programa Severo Ochoa en el IAC
Personal

Fondo cósmico de microondas (CMB) y Planck::

  • Nuevas mediciones del espectro de potencia angular de las anisotropías del CMB establecen restricciones sobre los principales parámetros cosmológicos alcanzando una precisión superior al 1% (Planck Collaboration 2016, A&A 594, A13).
  • Implicaciones para la inflación cósmica de las medidas de las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB) basadas en el muestreo completo de Planck (Planck Collaboration 2016, A&A 594, A20).

Emisión anómala de microondas en nuestra galaxia:

  • El mejor límite superior hasta la fecha de la fracción de polarización de esta emisión (Génova-Santos et al. 2017; Poidevin et al. 2019).

Cosmología con cúmulos de galaxias:

  • Desarrollo de dos catálogos de cielo completo de fuentes Sunyaev-Zeldovich (PSZ1 and PSZ2).
  • Seguimiento óptico de cúmulos Planck recién descubiertos (Planck Collaboration XXXVI 2016; Barrena et al. 2018, A&A; Aguado-Barahona et al. 2019, A&A). 
  • Restricciones sobre la suma de las masas de neutrinos (Planck Collaboration XXIV, A&A, 2016).

Sondeos ópticos e infrarrojos a gran escala:

  • El análisis de los datos de BOSS (Alam et al. 2017; Chuang et al. 2017) establece un límite superior de 0,12 eV a la suma de las masas de neutrinos en combinación con los datos de Planck (Pellejero-Ibañez et al. 2017).
  • Descubrimiento de un sistema de supercúmulo masivo (BOSS Great Wall) a desplazamiento al rojo cosmológico z = 0.47 (Lietzen et al. 2016).
  • Restricciones sobre la naturaleza dinámica de la energía oscura (Zhao et al. 2017).
  • Simulaciones precisas de halo-galaxias a partir de la estimación automática del sesgo y los solucionadores de gravedad de malla de partículas (Vakili, Kitaura et al. 2017).
  • Producción de simulaciones detalladas de la estructura a gran escala para DESI y EUCLID (Chuang et al 2019).

Origen de los rayos cósmicos:

  • Primera evidencia de que los blazares son una posible fuente de protones de rayos cósmicos ("Multi-messenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A", Science 361, 2018).
  • Medida de precisión de la relación Boro-Carbono en rayos cósmicos con el instrumento AMS (AMS Collaboration 2016, Phys.Rev.Lett. 117, 23)

Fuentes de rayos Gamma y ondas gravitacionales:

  • Primera emisión TeV detectada de un GRB (2019 Nature 575 455, Nature 575 459).
  • Primera observación de una contrapartida electromagnética de una fuente de Ondas Gravitacionales (2017 Nature 551, 71).
  • MAGIC observa una lente gravitacional a energías muy altas (MAGIC Collaboration 2016, A&A).
  • Emisión del púlsar del Cangrejo detectada por MAGIC en el rango de los teraelectronvoltios (MAGIC Collaboration 2016 A&A).

 

Resultados científicos 2012 - 2015

 

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