La búsqueda de la 'energía oscura' podría iluminar el origen, la evolución, el destino del universo


El telescopio Hobby-Eberly. Crédito: Marty Harris, Observatorio McDonald, UT Austin

El universo que vemos es sólo la punta misma del vasto iceberg cósmico.

Los cientos de miles de millones de galaxias que contiene, cada uno de ellos alberga miles de millones de estrellas, planetas y lunas, así como enormes nubes de gas y polvo que forman estrellas y planetas, y toda la luz visible y otra energía que podemos detectar en forma de radiación electromagnética, como ondas de radio,rayos gamma y rayos X , en resumen, todo lo que hemos visto con nuestros telescopios - sólo equivale a aproximadamente el 5% de toda la masa y energía en el universo.

Junto con esta llamada materia normal también hay materia oscura, que no se puede ver, pero puede ser observada por su efecto gravitatorio sobre la materia normal y visible, y constituye otro 27% del universo. Añádelos juntos, y sólo suman el 32% de la masa del universo, ¿dónde está el otro 68%?

Entonces, ¿Qué es exactamente la energía oscura? En pocas palabras, es una fuerza misteriosa que está empujando el universo hacia afuera y haciendo que se expanda más rápido a medida que envejece, involucrado en un tira y afloja cósmica con materia oscura, que está tratando de unir el universo. Más allá de eso, todavía no entendemos lo que es la energía oscura, pero los astrónomos de Penn State están en el centro de un grupo que tiene como objetivo averiguar a través de un proyecto único y ambicioso 16 años en la fabricación: HETDEX, el Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment.

"HETDEX tiene el potencial de cambiar el juego", dijo el Profesor Asociado de Astronomía y Astrofísica Donghui Jeong.

La energía oscura y el universo en expansión

Hoy en día hay consenso entre los astrónomos de que el universo que habitamos se está expandiendo, y que su expansión se está acelerando, pero la idea de un universo en expansión tiene menos de un siglo de antigüedad, y la noción de energía oscura (o cualquier otra cosa) acelerando esa expansión sólo ha existido durante un poco más de 20 años.

En 1917, cuando Albert Einstein aplicó su teoría general de la relatividad para describir el universo en su conjunto, sentando las bases de la teoría del Big Bang,él y otros científicos líderes en ese momento concibieron el cosmos como estático y inexistente. Pero para evitar que ese universo colapsara bajo la atractiva fuerza de la gravedad, necesitaba introducir una fuerza repulsiva para contrarrestarlo: la constante cosmológica.

No fue hasta 1929 cuando Edwin Hubble descubrió que el universo se está expandiendo, y que las galaxias más alejadas de la Tierra se están alejando más rápido que las que están más cerca, que el modelo de un universo estático finalmente fue abandonado. Incluso Einstein se apresuró a modificar sus teorías, a principios de la década de 1930 publicando dos modelos nuevos y distintos del universo en expansión, ambos sin la constante cosmológica.

Pero aunque los astrónomos finalmente habían llegado a entender que el universo se estaba expandiendo, y habían abandonado más o menos el concepto de la constante cosmológica, también presumían que el universo estaba dominado por la materia y que la gravedad eventualmente haría que su expansión se ralentizara; el universo seguiría expandiéndose para siempre, pero cada vez más lentamente, o en algún momento cesaría su expansión y luego colapsaría, terminando en una "gran crisis".

"Así es como pensábamos que funcionaba el universo, hasta 1998", dijo el profesor de Astronomía y Astrofísica Robin Ciardullo, miembro fundador de HETDEX.

Ese año, dos equipos independientes — uno dirigido por Saul Perlmutter en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y el otro dirigido por Brian Schmidt de la Universidad Nacional australiana y Adam Riess del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial — casi simultáneamente publicarían resultados sorprendentes que muestran que la expansión del universo se estaba acelerando, impulsada por alguna misteriosa fuerza antigravedad. Más tarde ese año, el cosmólogo Michael Turner de la Universidad de Chicago y Fermilab acuñaron el término "energía oscura" para describir esta misteriosa fuerza.

El descubrimiento se llamaría "Avance del Año" de la revista Science para 1998, y en 2011 Perlmutter, Schmidt y Reiss serían galardonados con el Premio Nobel de Física.
Esta tabla circular muestra valores redondeados para los tres componentes conocidos del universo: materia normal, materia oscura y energía oscura. Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA

Teorías contradictorias

Más de 20 años después del descubrimiento de la energía oscura, los astrónomos todavía no saben qué es exactamente.

"Cada vez que los astrónomos dicen 'oscuro', eso significa que no tenemos ni idea al respecto", dijo Jeong con una sonrisa irónica. "La energía oscura es sólo otra forma de decir que no sabemos qué está causando esta expansión acelerada"."

Hay, sin embargo, una serie de teorías que intentan explicar la energía oscura, y algunos contendientes importantes.

Tal vez la explicación más favorecida es la constante cosmológica previamente abandonada, que los físicos modernos describen como energía de vacío. "El vacío en la física no es un estado de nada", explicó Jeong. "Es un lugar donde las partículas y las antipartículas se crean y destruyen continuamente." La energía producida en este ciclo perpetuo podría ejercer una fuerza de empuje hacia el exterior en el propio espacio, haciendo que su expansión, iniciada en el Big Bang, se acelerara.

Desafortunadamente, los cálculos teóricos de la energía de vacío no coinciden con las observaciones, por un factor de hasta 10120, o uno seguido de 120 ceros. "Eso es muy, muy inusual", dijo Jeong, "pero ahí es donde estaremos si la energía oscura resulta ser constante". Es evidente que esta discrepancia es un problema importante, y podría requerir una reelaboración de la teoría actual, pero la constante cosmológica en forma de energía de vacío es, sin embargo, el candidato principal hasta ahora.

Como resultado de su diseño, HETDEX está recopilando una enorme cantidad de datos, extendiéndose mucho más allá de sus objetivos previstos y proporcionando información adicional sobre cosas como la materia oscura y los agujeros negros, la formación y evolución de estrellas y galaxias, y la física de partículas cósmicas de alta energía como los neutrinos.

Otra posible explicación es una nueva partícula o campo aún no descubierto que impregnaría todo el espacio; pero hasta ahora, no hay pruebas que respalden esto.

Una tercera posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein sea incorrecta. "Si empiezas desde la ecuación equivocada", dijo Jeong, "entonces obtienes la respuesta equivocada". Hay alternativas a la relatividad general, pero cada una tiene sus propios problemas y ninguno la ha desplazado aún como teoría reinante. Por ahora, sigue siendo la mejor descripción de la gravedad que tenemos.

En última instancia, lo que se necesita es más y mejores datos observacionales, precisamente lo que HETDEX fue diseñado para recopilar como ninguna otra encuesta ha hecho antes.

Un mapa de estrellas y sonido

"HETDEX es muy ambicioso", dijo Ciardullo. "Va a observar un millón de galaxias para trazar la estructura del universo que va más de dos tercios del camino de regreso al principio de los tiempos. Somos los únicos que salimos tan lejos para ver el componente de energía oscura del universo y cómo está evolucionando".

Ciardullo, un astrónomo observacional que estudia desde estrellas cercanas hasta galaxias lejanas y materia oscura, es el encargado de observaciones de HETDEX. Sin embargo, se apresura a notar que tiene ayuda en ese papel (de Jeong y otros) y que él y todos los demás en el proyecto llevan más de un sombrero. "Este es un proyecto muy grande", dijo. "Son más de $40 millones. Pero si cuentas cabezas, no es mucha gente. Y así todos hacemos más de una cosa."

Jeong, un astrofísico teórico y cosmólogo que también estudia ondas gravitacionales, fue fundamental para sentar las bases para el estudio y está muy involucrado en el análisis de datos del proyecto, y también está ayudando a Ciardullo a determinar dónde apuntar el telescopio Hobby-Eberly de 10 metros, el tercero más grande del mundo. "Es algo interesante", señaló entre risas, "un teórico que le dice a los observadores dónde buscar".
Este diagrama muestra los cambios en la tasa de expansión desde el nacimiento del universo. Cuanto más superficial es la curva, más rápida será la velocidad de expansión. La curva cambia notablemente hace unos 7.500 millones de años, cuando los objetos del universo comenzaron a volar a un ritmo más rápido. Los astrónomos teorizan que la tasa de expansión más rápida se debe a una fuerza misteriosa — energía oscura — que está separando galaxias. I. Crédito: NASA/STScI/Ann Feild

Mientras que otros estudios miden la expansión del universo usando supernovas distantes o un fenómeno conocido como lente gravitacional, donde la luz está doblada por la gravedad de objetos masivos como galaxias y agujeros negros, HETDEX se centra en las ondas sonoras del Big Bang, llamadas oscilaciones acústicas bariónicas. Aunque en realidad no podemos escuchar sonidos en el vacío del espacio, los astrónomos pueden ver el efecto de estas ondas sonoras primordiales en la distribución de la materia por todo el universo.

Durante los primeros 400.000 años después del Big Bang, el universo existió como plasma denso y caliente, una sopa de partículas de materia y energía. Pequeñas perturbaciones llamadas fluctuaciones cuánticas en ese plasma detonaron ondas sonoras, como ondas de un guijarro arrojado a un estanque, lo que ayudó a que la materia comenzara a agruparse y a formar la estructura inicial del universo. El resultado de este aglutinado es evidente en el fondo cósmico de microondas (también llamado el "afterglow" del Big Bang), que es la primera luz, y la espalda más lejana, que podemos ver en el universo. Y también está impreso en la distribución de galaxias a lo largo de la historia del universo, como las ondas en nuestro estanque, congeladas en el espacio.

"La física de las ondas sonoras es bastante conocida", dijo Ciardullo. "Ves lo lejos que han llegado estas cosas, sabes lo rápido que han viajado las ondas sonoras, para que sepas la distancia. Tienes una regla estándar en el universo, a lo largo de la historia cósmica."

A medida que el universo se ha expandido también lo ha hecho el gobernante, y esas variaciones en el gobernante mostrarán cómo la tasa de expansión del universo, impulsada por la energía oscura, ha cambiado con el tiempo.

"Básicamente", dijo Jeong, "hacemos un mapa tridimensional de galaxias y luego lo medimos".

Nuevo espacio de descubrimiento

Para hacer su mapa de millones de galaxias, el equipo de HETDEX necesitaba un nuevo instrumento potente.

Un conjunto de más de 150 espectrógrafos llamados VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), montados en el Telescopio Hobby-Eberly, recoge la luz de esas galaxias en una matriz de unas 35.000 fibras ópticas y luego la divide en longitudes de onda de componentes en un continuo ordenado conocido como espectro.

Los espectros de Las Galaxias revelan, entre otras cosas, la velocidad a la que se alejan de nosotros, una medida conocida como "cambio de imagen". Debido al efecto Doppler, la longitud de onda de un objeto que se aleja de su observador se estira (piense en una sirena que se pone más baja en tono a medida que se aleja a toda velocidad), y un objeto que se mueve hacia su observador tiene su longitud de onda comprimida, como esa misma sirena aumentando en tono a medida que se acerca. En el caso de galaxias en retroceso, su luz se estira y, por lo tanto, se desplaza hacia el extremo rojo del espectro.

Medir este desplazamiento al rojo permite al equipo de HETDEX calcular la distancia a esas galaxias y producir un mapa tridimensional preciso de sus posiciones.

Entre las galaxias que HETDEX está observando están las que se conocen como galaxias Lyman-alfa: galaxias jóvenes que forman estrellas que emiten líneas espectrales fuertes en longitudes de onda ultravioletas específicas.

"Estamos usando galaxias emisoras de Lyman-alfa como una 'partícula tracer'", explicó el profesor de investigación de astronomía y astrofísica Caryl Gronwall, quien también es miembro fundador de HETDEX. "Son fáciles de encontrar porque tienen una línea de emisiones muy fuerte, que es fácil de encontrar espectroscópicamente con el instrumento VIRUS. Así que tenemos este método que elige eficientemente las galaxias en un cambio de imagen bastante alto, y luego podemos medir dónde están, medir sus propiedades".

Gronwall, que junto con Ciardullo ha estado estudiando galaxias Lyman-alfa durante casi 20 años, lidera los esfuerzos de HETDEX en esta área, mientras que el Profesor Asociado de Astronomía y Astrofísica Derek Fox presta su experiencia para calibrar el instrumento VIRUS, utilizando observaciones incidentales de estrellas con propiedades conocidas para afinar su espectro.

"Cada toma que tomamos con HETDEX, observamos algunas estrellas en las fibras", explicó Fox. "Esa es una oportunidad, porque las estrellas te están diciendo lo sensible que es tu experimento. Si conoces el brillo de las estrellas y ves los datos que recoges en ellas, ofrece la oportunidad de mantener tu calibración en el punto."
En esta representación de la evolución del universo, la extrema izquierda representa el momento más temprano que podemos sondear ahora, cuando un período de "inflación" produjo una explosión de crecimiento exponencial. La luz posterior (conocida como fondo cósmico de microondas) fue emitida unos 375.000 años después de la inflación y ha atravesado el universo en gran medida sin obstáculos desde entonces. Las condiciones de tiempos anteriores se imprimen en esta luz, que también forma una luz de fondo para los desarrollos posteriores del universo. Crédito: Equipo científico de la NASA/WMAP

Una de las mayores fortalezas de HETDEX es que fue diseñado como un estudio ciego, observando amplias franjas de cielo en lugar de objetos específicos y predeterminados. "Nadie ha intentado hacer una encuesta como esta antes", dijo Ciardullo. "Siempre es "Encuentra tus objetos, luego haz la espectroscopia." Somos los primeros en tratar de hacer una gran cantidad de espectroscopia y luego averiguar lo que vimos".

Como resultado de este diseño, HETDEX está recopilando una enorme cantidad de datos, extendiéndose mucho más allá de sus objetivos previstos y proporcionando información adicional sobre cosas como la materia oscura y los agujeros negros, la formación y evolución de estrellas y galaxias, y la física de partículas cósmicas de alta energía como los neutrinos.

"Eso es muy diferente y muy interesante", dijo Jeong. "Tenemos un enorme espacio de descubrimiento."

Ciardullo agregó: "Una cosa que puedes inferir, si primero tienes que ver un objeto antes de señalar tu espectroscopio allí, bueno está bien, pero requiere que el objeto pueda ser visto. HETDEX puede observar espectros de cosas que no se pueden ver."

Esto significa que además de los datos conocidos que está recopilando, HETDEX está abriendo una ventana a hallazgos inesperados, descubrimientos aún imprevistos. "Seremos un buscatrazos para más experimentos", dijo Ciardullo, y ese sentimiento se hace eco de otros en el equipo, incluyendo Fox.

"Definitivamente vamos a estar abriendo caminos por ahí", dijo. "Hay un gran, gran potencial para descubrimientos realmente emocionantes."

De vuelta a las raíces, y más allá

La ciencia futurista de HETDEX está, en un giro extraño, muy en línea con las ideas que impulsaron el desarrollo del Telescopio Hobby-Eberly (HET) hace casi 40 años.

"Het fue concebido inicialmente como el Telescopio de Reconocimiento Espectroscópico de Penn State", explicó el profesor emérito de Astronomía y Astrofísica Larry Ramsey, quien inventó el telescopio en 1983 con su entonces colega de Penn State Dan Weedman, y más tarde se desempeñó como presidente de la junta directiva del HET. "La misión original era realizar estudios espectroscópicos, y en los casi 20 años entre la primera vez que dedicamos el telescopio y cuando comenzamos HETDEX, el telescopio no estaba realmente haciendo encuestas. Así que en un sentido muy real HETDEX está llevando el HET de nuevo a sus raíces, y se ha convertido en un proyecto realmente interesante."

"La escala de esta encuesta es muy futurista, incluso ahora", dijo Jeong. Recordando una reciente conferencia de cosmología, relató una discusión sobre el futuro de las encuestas galácticas. "Me senté allí y escuché, y fue básicamente lo que estamos haciendo", dijo. "HETDEX es una encuesta futura que existe ahora."

Además de lo que HETDEX descubre sobre la energía oscura,los datos que está recopilando también proporcionarán forraje para futuros estudios mucho más allá del alcance de su propia misión. Y lo más probable es que HETDEX continúe haciendo ciencia "rompe espacio" en el universo distante y de alto cambio rojo durante bastantes años.

"Incluso las encuestas futuras planeadas actualmente no van más allá de HETDEX", dijo Jeong. "Creo que seguiremos estando a la vanguardia, incluso dentro de 10 años".

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