Grupo de Cosmología y Física de Astropartículas

El principal objetivo científico de esta línea es:

• Analizar mapas tridimensionales del Universo para poner a prueba modelos cosmológicos y delimitar la naturaleza de la energía oscura

Una pequeña sección del mapa elaborado por el estudio quinquenal DESI muestra galaxias y cuásares situados por encima y por debajo del plano de la Vía Láctea. La estructura a gran escala del universo se aprecia en el recuadro ampliado. La Tierra se encuentra en el centro de las cuñas, y el espacio negro marca el lugar donde nuestra propia galaxia oculta los objetos lejanos. Crédito: Claire Lamman/Colaboración DESI

Para ello, combinan trabajos observacionales y teóricos. Actualmente, el grupo utiliza el mayor mapa tridimensional de alta resolución del Universo disponible hasta el momento, elaborado por el instrumento DESI, instalado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (Arizona, Estados Unidos). El grupo ha contribuido al desarrollo tecnológico del instrumento y forma parte activa de la colaboración. DESI ha obtenido espectros ópticos de decenas de millones de galaxias y cuásares, abarcando el Universo cercano hasta unos 11.000 millones de años luz. 

Explotan estos datos mediante el conjunto de simulaciones cosmológicas Uchuu, cuyo desarrollo de infraestructura computacional lideraron. Estas simulaciones se ejecutan en Fugaku, uno de los superordenadores más potentes del mundo, en Japón.

Los halos de materia oscura son enormes estructuras invisibles que rodean a las galaxias individuales (subhalos) y también a cúmulos enteros de galaxias. Su gravedad las mantiene unidas y sus propiedades determinan su evolución y distribución.

Los principales objetivos científicos en torno a estas estructuras son:

• Estudiar sus propiedades, como su masa, velocidad, cómo se distribuyen en la estructura a gran escala, así como su dependencia con el entorno dependiendo de su posición en la red cósmica (si están en filamentos o en vacíos)
• Comprender mejor la conexión entre los halos de materia oscura y la evolución y distribución de las galaxias
• Estudiar cómo se formaron las primeras galaxias dentro de los halos de materia oscura

La distribución de la materia oscura en una instantánea de Uchuu. Las imágenes muestran el halo de materia oscura del mayor cúmulo de galaxias formado en la simulación a diferentes aumentos. (Crédito: Tomoaki Ishiyama)

Para ello, el grupo lleva a cabo un trabajo mayoritariamente teórico y computacional. Desarrolla y aplica modelos como el Generalised Press-Schechter+ (GPS+), que permite predecir con gran precisión la abundancia de halos de materia oscura en distintas etapas de la historia del universo; y simulaciones numéricas como Uchuu; un conjunto de simulaciones cosmológicas que se ejecutan en Fugaku, uno de los superordenadores más potentes del mundo, en Japón.  Uchuu simula la distribución de halos y subhalos de materia oscura. Mediante la técnica SHAM (Subhalo Abundance Matching), el grupo les asigna galaxias con propiedades realistas para interpretar los datos de cartografiados como el instrumento terrestre DESI o de los telescopios espaciales James Webb (NASA-ESA-CSA) y Euclid (ESA). Adicionalmente, desarrolla y pone a disposición de la comunidad científica catálogos simulados de galaxias en su base de datos Skies & Universes. Estos sirven a la comunidad astronómica para analizar observaciones y contrastar los modelos cosmológicos. 

Además de emplear el superordenador Fugaku, utilizan una infraestructura de Big Data propia instalada en el IAA que actualizan con frecuencia. Junto con sus colaboradores en la Universidad de Chiba en Japón y la Universidad de Virginia, son líderes internacionales en las simulaciones cosmológicas de gran volumen.

Tras contribuir al desarrollo de los posicionadores robóticos de fibra óptica y de la placa focal del instrumento DESI, instalado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (Arizona), y liderar el diseño del analizador de imágenes MAAT para el Gran Telescopio de Canarias (GTC), los principales objetivos técnicos actuales son:

• Liderar la primera fase del desarrollo de La Palma Quantum Interferometer (LPQI), entre el Nordic Optical Telescope (NOT) y el Telescopio Nazionale Galileo (TNG)
• Diseñar las cámaras SPAD, dispositivos de detección de luz extremadamente sensible, en los que se basa el LPQI
• Desarrollar las técnicas de análisis de los datos de LPQI, incluyendo algoritmos de inteligencia artificial

Imagen de Google Earth del Observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma, que muestra la disposición de los cinco telescopios ópticos del interferómetro LPI. Las líneas de colores indican las líneas de base a implementar en distintas fases, conectando los telescopios GTC, TNG, NOT, WHT e INT. Los telescopios están conectados a través de la red de fibra óptica del Instituto de Astrofísica de Canarias y RedIRIS. La distancia entre GTC e INT es de 1,5 km. En la esquina inferior derecha, se presenta un diagrama a escala de interferómetros como el VLTI y el CHARA. Crédito: Eisenhauer et al., 2023, ARAA, 62, 237

El proyecto La Palma Quantum Interferometer (LPQI), que comenzó a desarrollarse en 2025, propone un enfoque innovador en interferometría, al buscar combinar la luz de varios telescopios ópticos del Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma) mediante una técnica llamada interferometría de intensidad. Esta metodología, a diferencia de otras formas de interferometría, permite estudiar correlaciones entre fotones en el espectro visible.

El proyecto utilizará sensores microchip-SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) de última generación, con los que se podrá alcanzar una resolución espacial mil veces superior a la de los telescopios espaciales Hubble y James Webb. Esto facilitará el estudio de fenómenos astronómicos en condiciones extremas, como los discos de acreción de agujeros negros, fundamentales para comprender la evolución de las galaxias, y eventos transitorios ultrarrápidos. Además, se logrará una precisión temporal en el rango de los picosegundos —correspondiente a una billonésima de segundo—, un intervalo tan breve que la luz solo recorrería 0,3 milímetros en ese tiempo.

El grupo encabeza LPQI con el objetivo de ampliar las capacidades de observación de la comunidad astrofísica mediante una nueva infraestructura aplicable a una amplia variedad de líneas de investigación.

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