Label: Materia oscura
Solo un 5% de nuestro
universo está constituido por materia ‘ordinaria’, la que supuestamente
conocemos, pero incluso este pequeño porcentaje es difícil de rastrear.
Hace décadas que los astrónomos buscan dónde se esconden en el cosmos
más de la mitad de los bariones, partículas como los neutrones y
protones, y con la ayuda del observatorio espacial XMM-Newton de rayos X
los han encontrado: en el ardiente gas intergaláctico.
Las misteriosas energía y materia oscuras constituyen, respectivamente, el 70% y el 25% del universo. El resto, la materia común que compone todo lo que vemos, desde las estrellas y galaxias hasta los planetas y nosotros mismos, representa tan solo un 5%.
Los astrónomos han calculado que ese es el porcentaje de materia ordinaria, formada básicamente por bariones (partículas con tres quarks como los neutrones y protones), a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, la luz más antigua en la historia del cosmos originada unos 380.000 años después del Big Bang.
Las observaciones de galaxias muy distantes permiten seguir la evolución de esta materia durante el primer par de miles de millones de años del universo. Sin embargo, justo después más de la mitad desaparece.
Se estima que las estrellas y el gas interestelar frío –su materia prima– que impregna las galaxias no alcanzan el 10% de la materia común. Sumando el gas caliente difuso de los halos que rodean las galaxias y el todavía más caliente que rellena los cúmulos galácticos –las estructuras cósmicas más grandes que se mantienen unidas por la gravedad–, el porcentaje no llega al 20%.
Esta pequeña proporción no debe sorprender. Las estrellas, galaxias y los cúmulos galácticos se forman en los nudos más densos de la red cósmica, ese entramado de filamentos de materia oscura y ordinaria que se extiende por todo el universo. Aunque estas zonas son densas, también son raras, por lo que no son los mejores sitios para encontrar la mayor parte de la materia cósmica.
En busca de los bariones perdidos
Los astrónomos pensaron entonces que los bariones ‘desaparecidos’ debían estar en los ubicuos filamentos de la red cósmica, donde, sin embargo, la materia es menos densa, y por tanto, más difícil de observar. Utilizando diferentes técnicas, pudieron localizar una buena porción de este material intergaláctico, principalmente sus componentes fríos y cálido (gas a cientos de miles de grados), elevando el porcentaje total a un respetable 60%, pero dejando el misterio general sin resolver. ¿Dónde está el otro 40%?
Fabrizio y muchos otros astrónomos de todo el mundo han seguido las huellas de los bariones restantes durante casi dos décadas, desde que los observatorios de rayos X como XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica.
Observando en esa franja del espectro electromagnético, fue cuando pudieron detectar gas intergaláctico realmente caliente, con temperaturas de alrededor de un millón de grados o más, que estaba bloqueando los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.
Para este estudio, los autores utilizaron XMM-Newton para observar un cuásar, una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en su centro que devora activamente materia y brilla intensamente desde los rayos X hasta las ondas de radio. Analizaron este cuásar, cuya luz tarda más de 4.000 millones de años en llegar a nosotros, durante 18 días entre 2015 y 2017, en lo que se convirtió en la observación de rayos X más larga jamás realizada de esta fuente.
Comienzan nuevas búsquedas
Este extraordinario resultado supone el comienzo de una nueva búsqueda. Se necesitarán nuevas observaciones de diferentes fuentes astronómicas para confirmar si estos hallazgos son verdaderamente universales, y para investigar más a fondo el estado físico de este material tan largamente buscado.
Fabrizio y sus colegas se plantean ahora estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra en los próximos años. Sin embargo, para explorar completamente la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico cálido-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena), que la ESA tiene previsto lanzar en 2028.
SINC
Las misteriosas energía y materia oscuras constituyen, respectivamente, el 70% y el 25% del universo. El resto, la materia común que compone todo lo que vemos, desde las estrellas y galaxias hasta los planetas y nosotros mismos, representa tan solo un 5%.
El gas intergaláctico constituye la mayor parte de la materia
ordinaria del cosmos que, a su vez, tan solo representa el 5% del total
del universo. / ESA
Los astrónomos han calculado que ese es el porcentaje de materia ordinaria, formada básicamente por bariones (partículas con tres quarks como los neutrones y protones), a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas, la luz más antigua en la historia del cosmos originada unos 380.000 años después del Big Bang.
Los bariones perdidos estaban en el gas intergaláctico caliente que constituye cerca del 40% de la materia ordinaria
Las observaciones de galaxias muy distantes permiten seguir la evolución de esta materia durante el primer par de miles de millones de años del universo. Sin embargo, justo después más de la mitad desaparece.
"Los bariones perdidos son uno de los mayores misterios de la astrofísica moderna", explica Fabrizio Nicastro, autor principal de un estudio publicado esta semana en Nature y en el que se ofrece una solución al problema. "Sabemos que esta materia debe estar ahí fuera, la vemos en el universo temprano, pero luego la perdemos de vista. ¿Adónde se fue?".
Se estima que las estrellas y el gas interestelar frío –su materia prima– que impregna las galaxias no alcanzan el 10% de la materia común. Sumando el gas caliente difuso de los halos que rodean las galaxias y el todavía más caliente que rellena los cúmulos galácticos –las estructuras cósmicas más grandes que se mantienen unidas por la gravedad–, el porcentaje no llega al 20%.
Esta pequeña proporción no debe sorprender. Las estrellas, galaxias y los cúmulos galácticos se forman en los nudos más densos de la red cósmica, ese entramado de filamentos de materia oscura y ordinaria que se extiende por todo el universo. Aunque estas zonas son densas, también son raras, por lo que no son los mejores sitios para encontrar la mayor parte de la materia cósmica.
En busca de los bariones perdidos
Los astrónomos pensaron entonces que los bariones ‘desaparecidos’ debían estar en los ubicuos filamentos de la red cósmica, donde, sin embargo, la materia es menos densa, y por tanto, más difícil de observar. Utilizando diferentes técnicas, pudieron localizar una buena porción de este material intergaláctico, principalmente sus componentes fríos y cálido (gas a cientos de miles de grados), elevando el porcentaje total a un respetable 60%, pero dejando el misterio general sin resolver. ¿Dónde está el otro 40%?
El descubrimiento se realizó utilizando observaciones de un cuásar distante, una galaxia con un agujero negro supermasivo que devora materia y brilla
Fabrizio y muchos otros astrónomos de todo el mundo han seguido las huellas de los bariones restantes durante casi dos décadas, desde que los observatorios de rayos X como XMM-Newton de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Chandra de la NASA se pusieron a disposición de la comunidad científica.
Observando en esa franja del espectro electromagnético, fue cuando pudieron detectar gas intergaláctico realmente caliente, con temperaturas de alrededor de un millón de grados o más, que estaba bloqueando los rayos X emitidos por fuentes aún más distantes.
Para este estudio, los autores utilizaron XMM-Newton para observar un cuásar, una galaxia masiva con un agujero negro supermasivo en su centro que devora activamente materia y brilla intensamente desde los rayos X hasta las ondas de radio. Analizaron este cuásar, cuya luz tarda más de 4.000 millones de años en llegar a nosotros, durante 18 días entre 2015 y 2017, en lo que se convirtió en la observación de rayos X más larga jamás realizada de esta fuente.
Los astrónomos han utilizado el observatorio espacial XMM-Newton (abajo a la derecha) para encontrar el componente caliente del medio intergaláctico (en verde) observando un lejano cuásar (arriba a la izquierda). / ESA et al.
"Después de examinar los datos, logramos encontrar la señal del oxígeno en el gas intergaláctico caliente entre nosotros y el cuásar, en dos puntos diferentes a lo largo de la línea de visión", dice Fabrizio."Esto está sucediendo porque hay enormes reservas de material, incluido oxígeno, depositado allí, y justo en la cantidad que esperábamos, por lo que finalmente podemos completar el hueco que faltaba en el conjunto de bariones del universo".
Comienzan nuevas búsquedas
Este extraordinario resultado supone el comienzo de una nueva búsqueda. Se necesitarán nuevas observaciones de diferentes fuentes astronómicas para confirmar si estos hallazgos son verdaderamente universales, y para investigar más a fondo el estado físico de este material tan largamente buscado.
Fabrizio y sus colegas se plantean ahora estudiar más cuásares con XMM-Newton y Chandra en los próximos años. Sin embargo, para explorar completamente la distribución y las propiedades del llamado medio intergaláctico cálido-caliente, se necesitarán instrumentos más sensibles, como el Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena), que la ESA tiene previsto lanzar en 2028.
Para los próximos pasos en este campo se necesitará la mayor sensibilidad del telescopio Athena
"El descubrimiento con XMM-Newton de los bariones desaparecidos es un primer paso emocionante para caracterizar completamente las circunstancias y estructuras en las que se encuentran estas partículas", dice la coautora Jelle Kaastra del Instituto Holandés de Investigación Espacial.
"Para los próximos pasos necesitaremos la sensibilidad mucho mayor de Athena –añade–, que tiene como uno de sus objetivos principales el estudio del medio intergaláctico cálido-caliente, con lo que mejoraremos nuestra comprensión de cómo crecen las estructuras en la historia del universo".
"Estamos orgullosos de que XMM-Newton haya descubierto la señal débil de este evasivo material, escondido en una niebla caliente de un millón de grados que se extiende por el espacio intergaláctico a lo largo de cientos de miles de años luz", destaca Norbert Schartel, uno de los científicos que trabaja con este telescopio en la ESA, quien concluye: "Ahora que sabemos que estos bariones ya no están perdidos, no podemos esperar para estudiarlos con gran detalle".
SINC
Los astrónomos del observatorio espacial XMM-Newton de la ESA han rastreado los halos gaseosos que rodean las galaxias en busca de materia perdida que, se cree, podría hallarse allí. Sin embargo, no han tenido éxito. ¿Dónde podría estar?
Toda la materia del Universo existe bien en forma de materia ‘normal’, bien en forma de la invisible y particularmente esquiva materia oscura, que es seis veces más abundante.
Curiosamente, los científicos que estudian galaxias cercanas han descubierto en los últimos años que contienen tres veces menos materia normal de la esperada; por ejemplo, nuestra Vía Láctea presenta menos de la mitad de la cantidad prevista.
Jiangtao Li, de la Universidad de Michigan (Estados Unidos), es el autor principal de un nuevo artículo al respecto y explica que se trata de “un misterio que preocupa desde hace mucho tiempo, que ha llevado a los científicos a hacer grandes esfuerzos para buscar esta materia perdida”.
“¿Por qué no está en las galaxias o, si está, por qué no la vemos? Y si no está, ¿dónde está? Es importante resolver este rompecabezas, ya que es una de las mayores incertidumbres en nuestros modelos, tanto del Universo temprano como de la formación de las galaxias”.
Los científicos creen que, en lugar de encontrarse en la mayor parte de la galaxia que podemos observar ópticamente, se podría hallar en una región de gas caliente que se extiende más allá, formando el halo galáctico.
Estos halos esféricos y calientes se han detectado con anterioridad, pero se trata de regiones tan tenues que resultan difíciles de observar detalladamente, ya que su emisión de rayos X se puede perder y resultar imposible de distinguir de la radiación de fondo. A menudo, los científicos observan una pequeña distancia en esta región y extrapolan los hallazgos, pero esto puede dar resultados variables y poco claros.
Jiangtao y sus colegas querían medir el gas caliente a mayores distancias con el observatorio espacial de rayos X XMM-Newton de la ESA. Estudiaron seis galaxias espirales similares y combinaron los datos para crear una galaxia con sus propiedades medias.
“De esta forma, la señal de la galaxia resulta más potente y el fondo de rayos X muestra un mejor comportamiento”, añade Joel Bregman, investigador de la misma universidad y coautor del artículo.
“Así, fuimos capaces de ver la emisión de rayos X unas tres veces más lejos que si observáramos una única galaxia, por lo que nuestra extrapolación resultó más precisa y fiable”.
Las galaxias espirales masivas y aisladas ofrecen la mejor oportunidad de buscar materia perdida. Son lo bastante masivas como para que el gas alcance temperaturas de millones de grados y así emitan rayos X, y en gran medida han evitado la contaminación con otros materiales por la formación de estrellas o la interacción con otras galaxias.
Se busca
Los resultados del equipo de científicos mostraron que, al final, el halo que rodea galaxias como las observadas no puede contener toda la materia perdida. A pesar de extrapolar casi 30 veces el radio de la Vía Láctea, siguen faltando casi tres cuartas partes de la materia prevista.
Hay dos teorías alternativas principales: o bien la materia se encuentra almacenada en otra fase gaseosa difícil de observar (quizá una fase más caliente y tenue, o una fase más fría y densa), o bien se halla en una porción del espacio que no está cubierta por nuestras observaciones actuales o que emite rayos X demasiado débiles para detectarlos.
En cualquier caso, como las galaxias no contienen suficiente materia perdida, es posible que la hayan expulsado al espacio, quizás empujadas por inyecciones de energía procedentes de la explosión de estrellas o de agujeros negros supermasivos.
Hay dos teorías alternativas principales: o bien la materia se encuentra almacenada en otra fase gaseosa difícil de observar (quizá una fase más caliente y tenue, o una fase más fría y densa), o bien se halla en una porción del espacio que no está cubierta por nuestras observaciones actuales o que emite rayos X demasiado débiles para detectarlos.
En cualquier caso, como las galaxias no contienen suficiente materia perdida, es posible que la hayan expulsado al espacio, quizás empujadas por inyecciones de energía procedentes de la explosión de estrellas o de agujeros negros supermasivos.
“Este trabajo es importante porque contribuye a crear modelos de galaxias más realistas, lo que a su vez nos ayudará a comprender mejor cómo se formó y evolucionó nuestra propia Galaxia —reconoce Norbert Schartel, científico del proyecto XMM-Newton de la ESA— Los hallazgos de este tipo serían imposibles sin la increíble sensibilidad de XMM-Newton”.
“En el futuro, los científicos podrán añadir aún más galaxias a nuestras muestras de estudio y utilizar XMM-Newton en colaboración con otros observatorios de alta energía, como el futuro Telescopio Avanzado para la Astrofísica de Alta Energía (Athena) de la ESA, para sondear las extensas porciones de baja densidad en las fronteras de las galaxias y seguir desvelando los misterios de la materia perdida del Universo”.
esa
Aunque todavía no se
ha podido detectar, la materia oscura constituye alrededor del 27% del
universo y sus efectos se dejan notar en el movimiento de las galaxias.
Sin embargo, investigadores de la Universidad de Yale (EE UU) han
comprobado que en al menos una galaxia, denominada NGC1052-DF2, no
aparece ni rastro de materia oscura, solo la masa de sus cúmulos de
estrellas.
Investigadores de EE UU y Canadá han encontrado una lejana galaxia que, de forma inesperada, no contiene materia oscura, ese misterioso material cuya masa parece tener efectos gravitatorios sobre la materia visible, como las estrellas y las galaxias, afectando a sus movimientos por el universo.
De hecho, los científicos piensan que el 27 % del universo es materia oscura, siendo la materia ordinaria, la que vemos, tan solo el 5%. El 68 % restante correspondería a la también enigmática energía oscura.
En la mayoría de las galaxias, la materia oscura es el tipo predominante de materia. En galaxias como la Vía Láctea, normalmente hay alrededor de 30 veces más materia oscura que materia ‘normal’ (la que se calcula con la masa de sus estrellas). Curiosamente, esta proporción de materia oscura aumenta tanto en galaxias mayores como en las menores a la nuestra. Por ejemplo, las galaxias enanas tienen 400 veces más materia oscura.
En este contexto, el equipo liderado por el profesor Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale ha analizado la galaxia NGC1052-DF2 (situada cerca de NGC 1052 en la constelación de Cetus, a unos 63 millones de años luz) y ha descubierto que carece de materia oscura.
Masa solo de estrellas
Paradójicamente, según los científicos, el hecho de descubrir galaxias como NGC1052-DF2 puede ayudar a descartar algunas de las teorías cosmológicas que se han propuesto como alternativas a la materia oscura, incluidas las que consideran que habría que modificar las leyes de Newton para explicar el movimiento de las galaxias.
SINC
Investigadores de EE UU y Canadá han encontrado una lejana galaxia que, de forma inesperada, no contiene materia oscura, ese misterioso material cuya masa parece tener efectos gravitatorios sobre la materia visible, como las estrellas y las galaxias, afectando a sus movimientos por el universo.
Entorno de la galaxia NGC1052
(esferoide blanquecino a la izquierda), en cuyas proximidades se
encuentra NGC1052-DF2. / Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of
Arizona
Los movimientos de diez cúmulos de estrellas de NGC1052-DF2 indican que esta galaxia no tiene materia oscura
De hecho, los científicos piensan que el 27 % del universo es materia oscura, siendo la materia ordinaria, la que vemos, tan solo el 5%. El 68 % restante correspondería a la también enigmática energía oscura.
En la mayoría de las galaxias, la materia oscura es el tipo predominante de materia. En galaxias como la Vía Láctea, normalmente hay alrededor de 30 veces más materia oscura que materia ‘normal’ (la que se calcula con la masa de sus estrellas). Curiosamente, esta proporción de materia oscura aumenta tanto en galaxias mayores como en las menores a la nuestra. Por ejemplo, las galaxias enanas tienen 400 veces más materia oscura.
En este contexto, el equipo liderado por el profesor Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale ha analizado la galaxia NGC1052-DF2 (situada cerca de NGC 1052 en la constelación de Cetus, a unos 63 millones de años luz) y ha descubierto que carece de materia oscura.
Masa solo de estrellas
“Basándonos en los movimientos de diez cúmulos de brillantes estrellas que se encuentran dentro de ella, hemos encontrado que la masa de NGC1052-DF2 es esencialmente la misma que la masa aparente de las estrellas visibles”, señalan los autores, que destacan: “Este hallazgo sugiere que esta galaxia, a diferencia de otras, no parece tener ninguna materia oscura en absoluto”.
Paradójicamente, según los científicos, el hecho de descubrir galaxias como NGC1052-DF2 puede ayudar a descartar algunas de las teorías cosmológicas que se han propuesto como alternativas a la materia oscura, incluidas las que consideran que habría que modificar las leyes de Newton para explicar el movimiento de las galaxias.
SINC
La materia oscura es cada vez desconcertante. Físicos de todas partes
del mundo han estado intentando durante décadas determinar la
naturaleza de estas raras partículas de materia, que no emiten ni
reflejan radiación electromagnética y que por tanto son indetectables,
al menos directamente, para telescopios y radiotelescopios.
Imagen en rayos X del cúmulo galáctico
de Perseo, a aproximadamente 240 millones de años-luz de la Tierra. La
radiación X emitida por las galaxias y los cúmulos galácticos presenta
todavía numerosos cabos sueltos para los astrofísicos. Resolver algunos
de ellos podría proporcionar pistas sobre la naturaleza de la misteriosa
materia oscura. (Foto: NASA)
La existencia de la materia oscura fue sugerida en la década de 1930
para explicar ciertas observaciones astronómicas que parecían
imposibles: los movimientos de bastantes objetos astronómicos denotaban
la acción de una fuerza de gravedad muy superior a la aportada por la
materia normal. Esa masa extra debía por tanto corresponder a materia
que no se podía ver en la banda de la luz y en ninguna otra del espectro
electromagnético.
Entre las muchas evidencias de esta "influencia fantasma" cabe citar
el movimiento orbital de las estrellas alrededor de los centros de sus
respectivas galaxias. Dicho movimiento no concuerda con el calculado a
partir de la presencia exclusiva de materia normal y solo se explica con
la presencia de materia adicional, la oscura.
Esta misteriosa materia extra escondida, distribuida de un modo que
tampoco se corresponde con la simple presencia de agujeros negros
convencionales, es la responsable de que las galaxias no se fragmenten
en tiras cuando giran sobre sí mismas. En otras palabras, no hay
suficiente materia normal en el universo para generar la cantidad de
gravedad necesaria para evitar que las galaxias se disgreguen en
jirones.
A partir de análisis de esa influencia gravitatoria extra ejercida
por la masa de la materia oscura, se ha calculado qué porcentaje de la
masa del universo es aportado por la materia normal y cuál es por tanto
atribuible a la oscura. La materia normal, como la que da forma a las
estrellas y la Tierra, constituye aproximadamente el 15 por ciento de
toda la materia del universo. Así pues, la materia oscura debe
representar el 85 por ciento restante. Pero hasta la fecha, y a pesar de
las exhaustivas investigaciones realizadas, todavía no se ha conseguido
identificar a las partículas constituyentes.
El equipo de Joachim Kopp, de la Universidad Johannes Gutenberg de
Maguncia, en Alemania, presenta ahora una teoría novedosa sobre la
materia oscura, que implica que sus partículas podrían ser muy distintas
de lo que se ha venido creyendo. Concretamente, las partículas de
materia oscura serían muy ligeras, casi cien veces más que los
electrones, en marcado contraste con los numerosos modelos
convencionales según los cuales las partículas de materia oscura son muy
pesadas.
Entre las candidatas favoritas a partícula de la materia oscura
destacan las llamadas partículas masivas de interacción débil (WIMPs por
sus siglas en inglés). La comunidad científica las está buscando en el
laboratorio subterráneo italiano del Gran Sasso, por ejemplo. Pero en
los últimos tiempos, aumentan año tras año los indicios de que es
improbable que las WIMPs sean candidatas viables a partículas de la
materia oscura. Parece pues que hay que comenzar a considerar otras
alternativas, tal como subraya el profesor Kopp, y estas probablemente
se ajusten más al mencionado retrato robot de una partícula casi cien
veces más ligera que el electrón.
NCYT
El telescopio Mayall,
que desde 1973 opera en el observatorio de Kitt Peak en Arizona (EE
UU), ha empezado su reforma para alojar a DESI, un instrumento con el
que se tratará de resolver el misterio de la energía oscura creando el
mayor mapa en 3D del universo. En este proyecto participa el Instituto
de Astrofísica de Andalucía.
IAA- CSIC
Hace cuarenta y cinco años, un telescopio alojado dentro de una cúpula de catorce plantas y quinientas toneladas observó el cielo nocturno por primera vez y registró sus observaciones en placas fotográficas de vidrio.
Imagen de larga exposición con las
trayectorias de las estrellas en el observatorio de Kitt Peak. La mayor
de las cúpulas es la que aloja el telescopio de Mayall, donde se
instalará DESI. / P. Marenfeld and NOAO/AURA/NSF. © 2010 The Regents of
the University of California, through the Lawrence Berkeley National
Laboratory.
Hoy, ese telescopio de cuatro metros, el Nicholas U. Mayall situado en el observatorio de Kitt Peak (Arizona), cierra su cúpula para prepararse para desempeñar un nuevo papel en su historial científico: la creación del mapa tridimensional más grande del universo, que podría ayudar a resolver el misterio de la energía oscura, responsable de la expansión acelerada del universo.
El telescopio Mayall desempeñará un nuevo papel en su historial científico: la creación del mapa tridimensional más grande del universo
Este cierre temporal del telescopio pone en marcha la construcción de la infraestructura necesaria para la instalación de DESI (siglas en inglés de Instrumento Espectroscópico para la Energía Oscura), que comenzará en 2019 una campaña de observación de cinco años y que revelará cómo la energía oscura y la gravedad han competido a lo largo del tiempo, desde el origen del universo, para configurar cómo se agrupan las galaxias y la materia oscura a gran escala.
"Este día marca un hito enorme para nosotros. Ahora retiramos el equipo viejo y comenzamos el proceso de un año para instalar DESI", señala Michael Levi (Berkeley Lab), director del proyecto. DESI es fruto de una colaboración internacional formada por más de cuatrocientos físicos y astrónomos coordinada desde el Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, California), y en la que participa el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC).
Un instrumento con cinco mil ojos
DESI utilizará un conjunto de cinco mil robots giratorios, cuidadosamente coreografiados para apuntar su cable de fibra óptica a una secuencia programada de objetos del espacio profundo, que incluye millones de galaxias y cuásares (galaxias que albergan agujeros negros supermasivos en sus núcleos).
Los cables de fibra óptica transportarán la luz de estos objetos a diez espectrógrafos, que medirán sus propiedades y ayudarán a identificar la distancia de los objetos y la velocidad a la que se alejan de nosotros. Las observaciones de DESI proporcionarán una mirada profunda al universo primitivo, hasta hace unos once mil millones de años.
DESI utilizará cinco mil robots giratorios para apuntar su cable de fibra óptica a una secuencia programada de galaxias, cuásares y otros objetos del espacio profundo
Después de una exposición de veinte minutos, el telescopio apuntará a una nueva porción del cielo, y en menos de un minuto los robots rotarán y cambiarán de posición las miles de fibras ópticas para tomar una nueva exposición. Esta secuencia se repetirá durante toda una noche de observación durante los cinco años de operación de DESI en el telescopio Mayall.
DESI escaneará un tercio del cielo y obtendrá cerca de diez veces más datos que su predecesor, el cartografiado BOSS (acrónimo en inglés de Sondeo Espectroscópico de Oscilaciones Bariónicas), basado en una secuencia de placas de metal, con fibras conectadas a mano en agujeros perforados para observar los objetos.
Además de proporcionar nuevos datos sobre la expansión y la estructura a gran escala del universo, DESI ayudará a establecer límites a las teorías alternativas a la relatividad general y permitirá conocer en detalle los procesos de formación de la estructura del universo, e incluso podría proporcionar nuevas medidas de la masa de los neutrinos, un tipo de partículas subatómicas abundantes y muy evasivas.
Se espera que la instalación de los componentes de DESI concluya en abril de 2019, con las primeras observaciones científicas planeadas para septiembre de 2019.
Participación española
El Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) participa en DESI desde el inicio del proyecto en 2010. “Hemos liderado el diseño y construcción de un prototipo para el desarrollo de los robots posicionadores de fibra óptica, capaces de alcanzar una precisión de una micra, un tamaño entre diez y veinte veces menor que el de una célula” señala Francisco Prada, investigador del IAA y responsable del grupo regional Granada-Madrid-Tenerife que participa en la colaboración DESI. "Este desarrollo instrumental ha constituido todo un hito para nuestro país, donde hemos competido al máximo nivel e involucrado a empresas españolas”, añade.
El grupo Granada-Madrid-Tenerife (GMT) que participa en la Colaboración DESI está formado por un equipo multidisciplinar de científicos, ingenieros y tecnólogos que ha colaborado estrechamente con empresas en España y Europa para afrontar el desafío que ha supuesto el desarrollo del robot posicionador de fibras ópticas y la placa focal para el instrumento DESI. Está liderado por el IAA y participan la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Autónoma de Madrid, el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC y el Instituto de Astrofísica de Canarias.
IAA- CSIC
Investigadores dicen ahora que su presencia no es necesaria para explicar el Universo
Materia oscura, una historia de 80 años
En 1933, el astrónomo suizo Fritz Zwicky hizo un descubrimiento que dejó al mundo entero sin habla: según él, en efecto, el Universo contenía mucha más materia de la que podemos ver. Los astrónomos bautizaron a ese nuevo tipo de materia como “materia oscura” y el concepto empezó a cobrar importancia durante la pasada década de los 70, cuando el astrónomo norteamericano vera Rubin recurrió a esa enigmática forma de materia para explicar la velocidad y los movimientos aparentemente inexplicables de muchas estrellas.
Desde entonces, investigadores de todo el mundo han dedicado una enorme cantidad de esfuerzo y recursos para identificar esa materia oscura, tanto directamente en el espacio como en experimentos de física de partículas en los mayores aceleradores disponibles. Aunque siempre sin resultado alguno.
En 1998 estalló una segunda "bomba científica": un equipo de investigadores australianos y estadounidenses descubrió, en efecto, que la expansión del Universo, conocida desde los tiempos de de Edwin Hubble, no era uniforme, sino acelerada. Es decir que, de forma inexplicable, el Universo crecía cada vez más deprisa. Alguna clase de energía desconocida tenía que ser, por fuerza, la impulsora de esa aceleración sin freno. El hallazgo mereció un premio Nobel en 2011.
Sin embargo, y a pesar de los enormes recursos utilizados desde entonces, ninguna teoría o prueba observacional ha sido aún capaz de caracterizar esta "energía oscura", a todas luces más poderosa que la energía gravitatoria de Newton. En resumen, tanto la materia oscura como la energía oscura son dos misterios que traen de cabeza a los investigadores desde hace décadas, 80 años y 20 años, respectivamente.
En la actualidad, existen tres formas de describir el Universo: la teoría de la relatividad general de Einstein, la ley de Gravitación Universal de Newton y la Mecánica Cuántica. Y el modelo de Universo que ha obtenido más consenso hasta ahora es que, al principio de los tiempos, hubo un Big Bang, seguido de un proceso de expansión que hoy en día, 13.700 millones de años después, se sigue produciendo.
Sin embargo, en palabras de André Maeder, del departamento de Astronomía de la Universidad de Ginebra y autor principal de la nueva investigación, "en ese modelo de Universo hay una hipótesis de partida que, en mi opinión, no se ha tenido en cuenta. Me estoy refiriendo a la invariancia de escala en el espacio vacío. En otras palabras, significa que tanto el espacio vacío como sus propiedades no cambian después de una dilatación o de una contracción".
El espacio vacío, de hecho, ocupa un lugar destacado en las ecuaciones de Einstein, en las que se representa como una cantidad determinada, la "constante cosmológica" de la que depende por completo el modelo de Universo que nos es más familiar. Basándose en su nueva hipótesis, Maeder ha reexaminado ahora ese modelo de Universo, pero añadiendo la invariancia de escala del espacio vacío, que también está presente en la teoría fundamental del electromagnetismo.
¿Significa eso que por fin tenemos una solución para describir la expansión del Universo y el movimiento aparentemente inexplicable de las estrellas y las galaxias? Puede que estemos más cerca de ella de lo que pensamos.
De hecho, cuando Maeder puso a prueba su modelo en una serie de test cosmológicos, halló que sus resultados coincidían con las observaciones. Y también determinó que su modelo era capaz de predecir la expansión acelerada del Universo sin tener que recurrir en modo alguno a la energía oscura. En resumen, llegó a la conclusión de que es muy posible que, después de todo, la energía oscura no existe, ya que la expansión acelerada está contenida en las ecuaciones de la física.
En un segundo momento, Maeder se centró en las leyes de Newton, un caso específico de las ecuaciones de la relatividad general. Y resultó que esas leyes también sufrían sutiles modificaciones cuando se les aplicaban las hipótesis de Maeder. En concreto, mostraban una pequeña aceleración "hacia fuera", que se volvía particularmente significativa en densidades bajas.
En otras palabras, al aplicar esa ley modificada de Newton a los movimientos de cúmulos de galaxias, resultó que esos movimientos, (al contrario de lo que propuso Zwicky en 1933), podían explicarse a la perfección teniendo en cuenta solo la materia visible. Lo cual implica que no se necesita una "materia oscura" para explicar las altas velocidades que alcanzan algunas estrellas en las zonas externas de sus galaxias.
Por último, en una tercera prueba, Maeder se centró en la dispersión de las velocidades de estrellas que oscilan alrededor del plano de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Y el resultado fue que dicha dispersión, que parece incrementarse con la edad de esas estrellas y para cuyo origen no existe hoy un consenso, también se explicaba a la perfección utilizando la hipótesis de la invariancia del espacio vacío.
El trabajo de Maeder, pues, abre el camino hacia una concepción totalmente nueva de la astronomía y que parece, además, ser capaz de resolver las principales controversias científicas de la actualidad. "El anuncio de este modelo -explica el propio Maeder- que por lo menos resuelve dos de los mayores misterios de la astronomía, es fiel al espíritu de la ciencia: nada puede darse por sentado, ni en términos de experiencia, ni de observación, ni del simple razonamiento de los seres humanos".
ABC
Después de varias décadas de experimentos infructuosos y búsquedas sin cuartel, cada vez son más los investigadores que ponen en duda la existencia de lo que hemos dado en llamar materia y energía “oscuras”.
Desde hace casi un siglo, los científicos están convencidos de que el Universo contiene mucha más materia de la que podemos observar directamente. Es decir, que "ahí arriba" debe haber un tipo de “materia oscura” que no emite radiación alguna y que, por lo tanto, resulta invisible incluso para nuestros más avanzados instrumentos. Solo sabemos que está ahí por los efectos gravitatorios que ejerce sobre la materia que sí podemos observar. El concepto, de hecho, ha servido para justificar el movimiento a menudo inexplicable de muchas estrellas y galaxias, que actúan y se mueven como si estuvieran sido atraídas por "algo" que, sin embargo, no conseguimos ver.
Por otra parte, también se ha postulado la existencia de algo aún más misterioso, una “energía oscura” más poderosa que la gravedad y que sería responsable de la expansión acelerada a la que se ve sometida el Universo en que vivimos.
Sin embargo, según un nuevo modelo recién propuesto por investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), ambas cosas, la materia y la energía oscuras, podrían dejar muy pronto de tener validez. De hecho, los fenómenos que aparentemente ambas describen podrían explicarse sin necesidad de recurrir a su existencia.
El trabajo, recién publicado en The Astrophysical Journal, explota un nuevo modelo teórico basado en la llamada "escala de invariancia del espacio vacío" (su capacidad de no cambiar incluso si varían la escala de longitud o la energía), y todo parece indicar que esa propiedad es perfectamente capaz de dar respuesta a los dos mayores misterios astronómicos de nuestro tiempo.
Desde hace casi un siglo, los científicos están convencidos de que el Universo contiene mucha más materia de la que podemos observar directamente. Es decir, que "ahí arriba" debe haber un tipo de “materia oscura” que no emite radiación alguna y que, por lo tanto, resulta invisible incluso para nuestros más avanzados instrumentos. Solo sabemos que está ahí por los efectos gravitatorios que ejerce sobre la materia que sí podemos observar. El concepto, de hecho, ha servido para justificar el movimiento a menudo inexplicable de muchas estrellas y galaxias, que actúan y se mueven como si estuvieran sido atraídas por "algo" que, sin embargo, no conseguimos ver.
Por otra parte, también se ha postulado la existencia de algo aún más misterioso, una “energía oscura” más poderosa que la gravedad y que sería responsable de la expansión acelerada a la que se ve sometida el Universo en que vivimos.
Sin embargo, según un nuevo modelo recién propuesto por investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), ambas cosas, la materia y la energía oscuras, podrían dejar muy pronto de tener validez. De hecho, los fenómenos que aparentemente ambas describen podrían explicarse sin necesidad de recurrir a su existencia.
El trabajo, recién publicado en The Astrophysical Journal, explota un nuevo modelo teórico basado en la llamada "escala de invariancia del espacio vacío" (su capacidad de no cambiar incluso si varían la escala de longitud o la energía), y todo parece indicar que esa propiedad es perfectamente capaz de dar respuesta a los dos mayores misterios astronómicos de nuestro tiempo.
Materia oscura, una historia de 80 años
En 1933, el astrónomo suizo Fritz Zwicky hizo un descubrimiento que dejó al mundo entero sin habla: según él, en efecto, el Universo contenía mucha más materia de la que podemos ver. Los astrónomos bautizaron a ese nuevo tipo de materia como “materia oscura” y el concepto empezó a cobrar importancia durante la pasada década de los 70, cuando el astrónomo norteamericano vera Rubin recurrió a esa enigmática forma de materia para explicar la velocidad y los movimientos aparentemente inexplicables de muchas estrellas.
Desde entonces, investigadores de todo el mundo han dedicado una enorme cantidad de esfuerzo y recursos para identificar esa materia oscura, tanto directamente en el espacio como en experimentos de física de partículas en los mayores aceleradores disponibles. Aunque siempre sin resultado alguno.
En 1998 estalló una segunda "bomba científica": un equipo de investigadores australianos y estadounidenses descubrió, en efecto, que la expansión del Universo, conocida desde los tiempos de de Edwin Hubble, no era uniforme, sino acelerada. Es decir que, de forma inexplicable, el Universo crecía cada vez más deprisa. Alguna clase de energía desconocida tenía que ser, por fuerza, la impulsora de esa aceleración sin freno. El hallazgo mereció un premio Nobel en 2011.
Sin embargo, y a pesar de los enormes recursos utilizados desde entonces, ninguna teoría o prueba observacional ha sido aún capaz de caracterizar esta "energía oscura", a todas luces más poderosa que la energía gravitatoria de Newton. En resumen, tanto la materia oscura como la energía oscura son dos misterios que traen de cabeza a los investigadores desde hace décadas, 80 años y 20 años, respectivamente.
En la actualidad, existen tres formas de describir el Universo: la teoría de la relatividad general de Einstein, la ley de Gravitación Universal de Newton y la Mecánica Cuántica. Y el modelo de Universo que ha obtenido más consenso hasta ahora es que, al principio de los tiempos, hubo un Big Bang, seguido de un proceso de expansión que hoy en día, 13.700 millones de años después, se sigue produciendo.
Sin embargo, en palabras de André Maeder, del departamento de Astronomía de la Universidad de Ginebra y autor principal de la nueva investigación, "en ese modelo de Universo hay una hipótesis de partida que, en mi opinión, no se ha tenido en cuenta. Me estoy refiriendo a la invariancia de escala en el espacio vacío. En otras palabras, significa que tanto el espacio vacío como sus propiedades no cambian después de una dilatación o de una contracción".
El espacio vacío, de hecho, ocupa un lugar destacado en las ecuaciones de Einstein, en las que se representa como una cantidad determinada, la "constante cosmológica" de la que depende por completo el modelo de Universo que nos es más familiar. Basándose en su nueva hipótesis, Maeder ha reexaminado ahora ese modelo de Universo, pero añadiendo la invariancia de escala del espacio vacío, que también está presente en la teoría fundamental del electromagnetismo.
¿Significa eso que por fin tenemos una solución para describir la expansión del Universo y el movimiento aparentemente inexplicable de las estrellas y las galaxias? Puede que estemos más cerca de ella de lo que pensamos.
De hecho, cuando Maeder puso a prueba su modelo en una serie de test cosmológicos, halló que sus resultados coincidían con las observaciones. Y también determinó que su modelo era capaz de predecir la expansión acelerada del Universo sin tener que recurrir en modo alguno a la energía oscura. En resumen, llegó a la conclusión de que es muy posible que, después de todo, la energía oscura no existe, ya que la expansión acelerada está contenida en las ecuaciones de la física.
En un segundo momento, Maeder se centró en las leyes de Newton, un caso específico de las ecuaciones de la relatividad general. Y resultó que esas leyes también sufrían sutiles modificaciones cuando se les aplicaban las hipótesis de Maeder. En concreto, mostraban una pequeña aceleración "hacia fuera", que se volvía particularmente significativa en densidades bajas.
En otras palabras, al aplicar esa ley modificada de Newton a los movimientos de cúmulos de galaxias, resultó que esos movimientos, (al contrario de lo que propuso Zwicky en 1933), podían explicarse a la perfección teniendo en cuenta solo la materia visible. Lo cual implica que no se necesita una "materia oscura" para explicar las altas velocidades que alcanzan algunas estrellas en las zonas externas de sus galaxias.
Por último, en una tercera prueba, Maeder se centró en la dispersión de las velocidades de estrellas que oscilan alrededor del plano de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Y el resultado fue que dicha dispersión, que parece incrementarse con la edad de esas estrellas y para cuyo origen no existe hoy un consenso, también se explicaba a la perfección utilizando la hipótesis de la invariancia del espacio vacío.
El trabajo de Maeder, pues, abre el camino hacia una concepción totalmente nueva de la astronomía y que parece, además, ser capaz de resolver las principales controversias científicas de la actualidad. "El anuncio de este modelo -explica el propio Maeder- que por lo menos resuelve dos de los mayores misterios de la astronomía, es fiel al espíritu de la ciencia: nada puede darse por sentado, ni en términos de experiencia, ni de observación, ni del simple razonamiento de los seres humanos".
ABC
El colisionador de
hadrones es el experimento más sofisticado que hayamos diseñado jamás. Y
entre sus objetivos se encuentra la búsqueda de la esquiva y extraña
materia oscura. Pero, ¿cómo se hace?
Calibrar la máquina más sofisticada del mundo
El LHC, como decíamos, es el ingenio tecnológico más sofisticado y complejo que jamás hayamos diseñado y construido. Hablamos de una máquina que mide veintisiete kilómetros de circunferencia, trabaja a casi dos grados por encima del cero absoluto y "dispara" partículas al 99,99% de la velocidad de la luz. ¿Y para qué necesitamos algo como el LHC? Este enorme laboratorio fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, con el propósito principal de examinar la validez y límites del Modelo Estándar de la física. Este, como recordaréis, es actualmente el marco teórico de la física de partículas que aceptamos y usamos para conocer el universo tal y como es.
Un experimento tan gigantesco puede dividirse en otros experimentos que forman el conjunto. Entre ellos se encuentra el CMS, o Solenoide compacto de Muones, uno de los dos detectores de partículas de propósito general del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector tiene una forma cilíndrica, con más de veinte metros de largo por dieciséis de ancho. Y pesa nada menos que 12.500 toneladas. ¿Cómo se pone a punto tremendo armatoste? "La exigencia es que un cacharro que mide veintiún metros de altura esté alineado con 200 micras de precisión. Se puede hacer con láseres, pero yo lo calibraba con unas partículas que 'llueven' del cielo llamadas muones".
Con estas palabras, Pablo nos cuenta su experiencia como doctorando. Su tesis versó sobre la calibración de este aparato. "Usando estos muones, con técnicas matemáticas avanzadas, puedes decir con precisión dónde están los detectores. Eso es lo que hice durante mi tesis". Los muones son unas partículas subatómicas con una masa 200 veces mayor que la del electrón.
Cuando el LHC comenzó a funcionar, Pablo estaba en primera línea, nervioso, ya que de su trabajo dependía, en gran parte, de que el LHC funcionara correctamente. Y funcionó, como sabemos. El CERN es uno de los centros colaborativos más prolíficos de nuestro tiempo.
"La materia oscura es transparente"
Uno de los temas más apasionantes en los que Pablo está envuelto es la búsqueda de una de las sustancias más extrañas y misteriosas del universo: la materia oscura. "De momento la única manera de detectarla es a través de sus fenómenos gravitatorios". Con estas palabras, el físico nos explica que no es posible, por el momento, detectar directamente la materia oscura. ¿A qué se debe? "La materia oscura sí que interactúa gravitacionalmente, como la materia ordinaria, pero no interacciona ni electromagnéticamente ni mediante fuerzas nucleares ni nada por el estilo", afirma.
Allí lo que hacen es esperar a que un trocito de materia oscura que pase por la Tierra interaccione con un átomo de materia. ¿De qué manera? Pues moviéndolo. Como decíamos, no interacciona de forma "clásica" con la materia ordinaria. Pero sí que lo haría mediante la gravedad, ya que posee masa, lo que podría desviar a algún átomo aislado. Esto lo sabríamos porque se habría movido sin razón aparente. "La interpretación sería que ha pasado una partícula de materia oscura y ha golpeado al átomo. La tercera manera sería obtener antimateria en los colisionadores". Colisionadores como el LHC, por supuesto. "Esto consistiría en que, a partir de dos 'trozos' de materia, produzcas uno de antimateria". Y es que la materia oscura está a nuestro alrededor, constantemente, aunque no la veamos.
¿Qué tiene de especial la materia oscura?
Desde que se puso en marcha, el LHC ha estado buscando (y encontrando) nuevas partículas más masivas y energéticas. Como recordaréis, en LHC permaneció un tiempo parado debido a un pequeño accidente. "Para aliviar los mecanismos que se encargan de que el sistema aguante bien las enormes fuerzas mecánicas a las que se somete el LHC hay unas válvulas. En el primer sobrecalentamiento, la válvula no terminó de actuar bien y hubo una pequeña explosión, por parte de la válvula, y movió el tubo. Esto hubiera sido fácil de reparar, pero lo que costó más tiempo es que hubo que rediseñar el sistema de válvulas y eso lleva más trabajo".
Rediseñar el sistema de válvulas llevó mucho más trabajo
Un trabajo que implicó a miles de personas, como todo lo que se realiza en el CERN. Sólo en el CMS colaboraron para su construcción unas 2.600 personas procedentes de 180 institutos científicos diferentes. Entre ellos estaba Pablo. "El entorno del CERN es muy multicultural. Es agotador también, pero aprendes mucho de cómo funcionan en otros países. Allí hay aspectos culturales muy importantes y eso te abre mucho la mente". Y es que el laboratorio más grande que existe requiere de recursos y personas excepcionales. "La gente se piensa que en el CERN somos cuatro gatos. Pero este laboratorio es fruto de la colaboración de miles de personas".
hipertextual
¿Cómo se busca materia oscura en el universo? ¿Y qué tiene que ver esto con acelerar partículas a toda velocidad en una máquina que mide kilómetros? El Large Hadron Collider es probablemente la máquina más sofisticada que ha creado el ser humano en toda su historia. Durante el pasado Campus Aquae 2017, en Cartagena, Murcia, tuvimos la oportunidad de hablar con Pablo Martínez Ruiz del Árbol, un físico de la Universidad de Cantabria que trabaja liderando y coordinando búsquedas de materia oscura en el CMS del LHC. Además, este físico fue el encargado de calibrar los detectores de muones de este sistema de detección. ¿Cómo se cumple con semejante tarea?
Calibrar la máquina más sofisticada del mundo
El LHC, como decíamos, es el ingenio tecnológico más sofisticado y complejo que jamás hayamos diseñado y construido. Hablamos de una máquina que mide veintisiete kilómetros de circunferencia, trabaja a casi dos grados por encima del cero absoluto y "dispara" partículas al 99,99% de la velocidad de la luz. ¿Y para qué necesitamos algo como el LHC? Este enorme laboratorio fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, con el propósito principal de examinar la validez y límites del Modelo Estándar de la física. Este, como recordaréis, es actualmente el marco teórico de la física de partículas que aceptamos y usamos para conocer el universo tal y como es.
Un experimento tan gigantesco puede dividirse en otros experimentos que forman el conjunto. Entre ellos se encuentra el CMS, o Solenoide compacto de Muones, uno de los dos detectores de partículas de propósito general del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector tiene una forma cilíndrica, con más de veinte metros de largo por dieciséis de ancho. Y pesa nada menos que 12.500 toneladas. ¿Cómo se pone a punto tremendo armatoste? "La exigencia es que un cacharro que mide veintiún metros de altura esté alineado con 200 micras de precisión. Se puede hacer con láseres, pero yo lo calibraba con unas partículas que 'llueven' del cielo llamadas muones".
"Usando muones, con técnicas matemáticas avanzadas, puedes decir con precisión dónde están los detectores"
Con estas palabras, Pablo nos cuenta su experiencia como doctorando. Su tesis versó sobre la calibración de este aparato. "Usando estos muones, con técnicas matemáticas avanzadas, puedes decir con precisión dónde están los detectores. Eso es lo que hice durante mi tesis". Los muones son unas partículas subatómicas con una masa 200 veces mayor que la del electrón.
Cuando el LHC comenzó a funcionar, Pablo estaba en primera línea, nervioso, ya que de su trabajo dependía, en gran parte, de que el LHC funcionara correctamente. Y funcionó, como sabemos. El CERN es uno de los centros colaborativos más prolíficos de nuestro tiempo.
"La materia oscura es transparente"
Uno de los temas más apasionantes en los que Pablo está envuelto es la búsqueda de una de las sustancias más extrañas y misteriosas del universo: la materia oscura. "De momento la única manera de detectarla es a través de sus fenómenos gravitatorios". Con estas palabras, el físico nos explica que no es posible, por el momento, detectar directamente la materia oscura. ¿A qué se debe? "La materia oscura sí que interactúa gravitacionalmente, como la materia ordinaria, pero no interacciona ni electromagnéticamente ni mediante fuerzas nucleares ni nada por el estilo", afirma.
"La llamamos oscura, pero en realidad no es oscura. Es transparente".
Al no interaccionar con la luz, ni con ninguna de las señales que usamos para explorar el cosmos, es imposible saber que realmente está ahí. O eso creemos. "Existen tres técnicas en desarrollo para intentar detectar materia oscura", nos explica el físico. "La primera consiste en comprobar si la materia interacciona consigo misma, si da lugar a algún tipo de fotón". Si una partícula de materia oscura chocara con otra, como ocurre con los electrones, por ejemplo, el resultado sería la formación de un fotón.
"Hay muchos experimentos observacionales que están barriendo la galaxia en busca de un exceso de emisión fotones que no se pueda explicar a partir de las fuentes que conocemos". El problema, explica Pablo, es que la galaxia es un sitio complejo donde hay una infinidad de procesos, fenómenos, fuentes... que dificultan esta tarea. "Otro método", continúa, "consiste en construir aquí, en la Tierra, detectores bajo el suelo; en sitios recónditos, en minas y lugares en los que no exista ruido". "La llamamos oscura, pero en realidad no es oscura. Es transparente"
Allí lo que hacen es esperar a que un trocito de materia oscura que pase por la Tierra interaccione con un átomo de materia. ¿De qué manera? Pues moviéndolo. Como decíamos, no interacciona de forma "clásica" con la materia ordinaria. Pero sí que lo haría mediante la gravedad, ya que posee masa, lo que podría desviar a algún átomo aislado. Esto lo sabríamos porque se habría movido sin razón aparente. "La interpretación sería que ha pasado una partícula de materia oscura y ha golpeado al átomo. La tercera manera sería obtener antimateria en los colisionadores". Colisionadores como el LHC, por supuesto. "Esto consistiría en que, a partir de dos 'trozos' de materia, produzcas uno de antimateria". Y es que la materia oscura está a nuestro alrededor, constantemente, aunque no la veamos.
¿Qué tiene de especial la materia oscura?
"No pretendo dar una visión, ni mucho menos, catastrofista", explica Pablo cuando insistimos en por qué debería importarnos la materia oscura. "Si a la gente le hablas de un supuesto meteorito que se acercara a la Tierra, todo el mundo estaría de acuerdo en que es algo que deberíamos investigar. ¿Y si viniera una masa de materia oscura? Los tiempos en el universo son muy grandes y mil años no son nada. Pero con el tiempo, la gravedad puede desestabilizar un sistema. Imagina lo siguiente: un cúmulo de materia oscura muy masiva desestabiliza, por ejemplo, a una estrella cercana. Así, la mueve y la lanza contra otra", continúa.
"Por supuesto, es un proceso que tardaría miles de millones de años, pero está ahí, es algo que necesitamos conocer. Porque, como dicen en las películas, la materia oscura 'está entre nosotros'. Y no sabemos ni lo que es". Por otro lado, la materia oscura también nos ayuda a darle una explicación al universo que conocemos. "La materia oscura explica por qué se producen las agregaciones que vemos en el universo. Que haya galaxias depende de la materia oscura", sentencia.De vuelta al LHC
Desde que se puso en marcha, el LHC ha estado buscando (y encontrando) nuevas partículas más masivas y energéticas. Como recordaréis, en LHC permaneció un tiempo parado debido a un pequeño accidente. "Para aliviar los mecanismos que se encargan de que el sistema aguante bien las enormes fuerzas mecánicas a las que se somete el LHC hay unas válvulas. En el primer sobrecalentamiento, la válvula no terminó de actuar bien y hubo una pequeña explosión, por parte de la válvula, y movió el tubo. Esto hubiera sido fácil de reparar, pero lo que costó más tiempo es que hubo que rediseñar el sistema de válvulas y eso lleva más trabajo".
Rediseñar el sistema de válvulas llevó mucho más trabajo
Un trabajo que implicó a miles de personas, como todo lo que se realiza en el CERN. Sólo en el CMS colaboraron para su construcción unas 2.600 personas procedentes de 180 institutos científicos diferentes. Entre ellos estaba Pablo. "El entorno del CERN es muy multicultural. Es agotador también, pero aprendes mucho de cómo funcionan en otros países. Allí hay aspectos culturales muy importantes y eso te abre mucho la mente". Y es que el laboratorio más grande que existe requiere de recursos y personas excepcionales. "La gente se piensa que en el CERN somos cuatro gatos. Pero este laboratorio es fruto de la colaboración de miles de personas".
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Un equipo de investigadores halla indicios
de que la Constante Cosmológica podría no ser tan constante
Un equipo de investigadores de la Universidad de Portsmouth y la National Astronomical Observatories de China acaba de sugerir que la constante cosmológica, una parte esencial de las complejas ecuaciones que describen la expansión del Universo, podría, después de todo, no ser tan constante como se creía. Lo cual obligaría a reescribir una buena parte de los actuales modelos cosmológicos. El trabajo acaba de publicarse en Nature Astronomy.
La razón que ha llevado a Gong-Bo Zhao y a Bob Nichol a esta sorprendente conclusión es que la energía oscura, una fuerza misteriosa que, en teoría, es responsable de la expansión acelerada del Universo, podría ser dinámica, es decir, que sus valores cambiarían a lo largo del tiempo. Si estos extremos se confirman, tendrían profundas implicaciones en lo que sabemos, o creemos saber, sobre la estructura y comportamiento a gran escala del Universo en que vivimos.
Los científicos esperan que las dudas se resuelvan por completo el próximo año, cuando el instrumento DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), diseñado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, sea montado en el telescopio Mayal, en el Kitt Peak National Observatory, se ponga en funcionamiento y empiece a medir los efectos de la energía oscura en la expansión del Universo.
La idea de la constante cosmológica fue postulada por primera vez por Einstein, que la introdujo como una forma de "tapar" lo que él consideraba como un problema de su Teoría General de la Relatividad. Sus cálculos, en efecto, predecían que el Universo era dinámico, es decir, que tenía que estar contrayéndose o expansiéndose, mientras que él estaba plenamente convencido de que era estático. Por eso, para tratar de eliminar de sus ecuaciones el hecho de que el Universo está cambiando de tamaño, introdujo la constante como un elemento corrector.
Años más tarde, Einstein se referiría a la constante cosmológica como su mayor error. Pero las siguientes generaciones de científicos abrazaron la idea, pero esta vez no para negar que el Universo se está expandiendo, sino para tratar de explicar cómo lo hace. Al final, incluso los "errores" de Einstein resultaron ser geniales.
Al principio, se pensaba que la fuerza gravitatoria que ejerce toda la materia que hay en el Universo debía ser suficiente para frenar la expansión que comenzó en el Big Bang. Pero las observaciones de los científicos a lo largo de décadas demuestran todo lo contrario. De hecho, no solo el Universo sigue creciendo, sino que lo hace a una velocidad cada vez mayor.
Estaba claro que había "algo" que las observaciones no lograban captar. Y para explicar los resultados observacionales, los cosmólogos sugirieron la existencia de una fuerza desconocida, opuesta a la gravedad y mucho más fuerte que ella. Una fuerza que es constante y uniforme en todo el Universo: la energía oscura.
Desde luego, no se trata de algo insignificante, ya que según el actual modelo cosmológico, llamado Lambda CDM (Cold Dark Matter, o Materia Oscura Fría), la energía oscura supone casi el 70% de la masa total del Universo. El resto es materia oscura, con la excepciópn de un escueto 5% de materia ordinaria, que es de la que estamos hechos nosotros, los planetas las estrellas y todas las galaxias que existen. El modelo ha demostrado en muchas ocasiones que funciona, y sus predicciones coinciden casi perfectamente con las observaciones dirtectas a través de telescopios.
Por eso, la idea de Zhao y Nichol supone para la ciencia un desafío sin precedentes.
Resultados desconcertantes
Durante los últimos dos años, ambos investigadores han estado midiendo oscilaciones acústicas de los bariones, que son fluctuaciones periódicas en la densidad de la materia visible (el 5% de materia ordinaria del Universo). Y lo han hecho en distintas épocas de la existencia del Universo (cuanto más lejos, más hacia atrás en el tiempo).
Los resultados han sido desconcertantes. En efecto, los científicos descubrieron que para que los cambios en la densidad de la materia visible tuvieran sentido, era necesario asumir que también se producían cambios en el estado de la energía oscura, lo cual implica que la energía oscura también es dinámica, y no constante.
En su artículo, Zhao y Nichol aseguran que, a pesar de sus análisis, no existen aún datos suficientes que respalden su idea de la energía oscura dinámica, que invalidaría el modelo cosmológico Lambda CDM. Sin embargo, también sostienen que sus cálculos sí que son lo suficientemente precisos como para poner en duda lo que se pensaba hasta ahora.
Para salir de dudas, de una u otra forma, queda muy poco tiempo. De hecho, a principios de 2018 se pondrá en marcha un programa capaz de medir, gracias al citado instrumento DESI, los efectos de la energía oscura sobre la expansión del Universo.
Por eso Zhao esperan poder demostrar su revolucionaria idea en un plazo no superior a dos años.
ABC
Yun Wang, cosmóloga, poeta e invitada de la escuela científica internacional Cosmology School in the Canary Islands, organizada por el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y que se está celebrando durante esta semana en Fuerteventura, es actualmente profesora en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Oklahoma e investigadora del Instituto de Tecnología de California. En estos centros explora la naturaleza de la energía oscura, así como las misteriosas causas de la expansión acelerada del Universo. En 2012, Yun Wang fue elegida miembro de la Sociedad Americana de Física “por su liderazgo en la investigación sobre la energía oscura, especialmente en el desarrollo de un marco robusto y consistente en el análisis y la interpretación de datos cosmológicos”.
“La energía oscura determinará el destino final del Universo. Dependiendo de su verdadera naturaleza, el Universo podría tener futuros radicalmente diferentes”
“Tal vez, la energía oscura no sea ni siquiera una forma de energía, sino una muestra de la necesidad de modificar nuestra teoría de la gravedad y de la relatividad”
“Creo que ser poeta me hace ser mejor cosmóloga, ya que me aventuro a soñar a lo grande y ser atrevida y perseverante a la hora de conseguir mis objetivos científicos”
¿Cuál es la diferencia entre la energía oscura y la materia oscura y cómo los científicos tratan de entender su naturaleza?
La energía oscura y la materia oscura son dos misterios diferentes en el Universo que pueden, o no, estar relacionados. La energía oscura es el término que utilizamos para referirnos a la causa desconocida de la aceleración observada en la expansión del Universo. Sea lo que sea la energía oscura, ésta no gravita como la materia. Por el contrario, la materia oscura sí gravita, además de ser invisible, de ahí el nombre. Se ha descubierto su existencia a través de su influencia gravitacional en galaxias y en sus agrupaciones. La distribución de materia luminosa en el Universo, como estrellas y gas caliente, solo puede ser explicada por la presencia de materia oscura.
Los científicos tratan de entender la naturaleza de la energía oscura a partir de diferentes frentes. Ésta podría ser una constante cosmológica, una energía pequeña y constante que impregna el Universo, quizás una consecuencia de la gravedad cuántica. Si la densidad de la energía oscura varía con el tiempo, podría ser una desconocida forma energética del Universo, tal vez de la nueva física de partículas o de la teoría de cuerdas. Podemos estudiar la variación en el tiempo de la energía oscura a través de la medición de la historia de expansión del Universo. Aunque tal vez, la energía oscura no sea ni siquiera una forma de energía, sino una muestra de la necesidad de modificar nuestra teoría de la gravedad, la relatividad general de Einstein (gravedad modificada). Podemos comprobar esta posibilidad midiendo la historia de crecimiento de la estructura a gran escala del Universo en una amplia gama de escalas, ya que la gravedad modificada y la relatividad general hacen predicciones diferentes sobre esta historia, dada la misma historia de expansión del Universo.
¿Por qué cree que resolver el misterio de su naturaleza es el problema cosmológico actual más importante?
La energía oscura parece estar vinculada con la desconocida causa detrás de la aceleración observada en la expansión del Universo. Creo que resolver el misterio de su naturaleza es el problema cosmológico actual más importante, ya que se trata de un problema fundamental y su solución requiere avances revolucionarios en nuestra comprensión del Universo.
¿Qué tipo de enfoque y experimentos considera que son necesarios para resolver las incógnitas de la energía oscura? ¿Cree que las próximas misiones Euclid y WFIRST revelarán algo al respecto?
Las preguntas más fundamentales sobre la energía oscura son dos: ¿varía la densidad de la energía oscura con el tiempo? y ¿se modifica la gravedad? Necesitamos diseñar experimentos que respondan a ambas cuestiones, algo que puede ser realizado estudiando la historia de la expansión del Universo y la historia de crecimiento de su estructura a gran escala. Tanto Euclid como WFIRST usarán la distribución 3D de galaxias sobre un gran volumen para medir la historia de expansión cósmica y la de crecimiento de la estructura a gran escala, así como las leves distorsiones en las formas observadas de las galaxias debidas a la distribución de materia en el Universo, para medir la combinación de esas dos funciones. Euclid (con un telescopio de 1,2 m de apertura) será lanzado en 2020, mientras que WFIRST (con un telescopio de 2,4 m de apertura) probablemente será lanzado en 2025. Hemos diseñado los experimentos de energía oscura de Euclid y WFIRST para que se complementen entre sí. Euclid estudiará 15.000 grados cuadrados de cielo extragaláctico con no mucha profundidad, optimizada para obtener las restricciones más estrictas sobre la energía oscura, mientras que WFIRST mapeará 2.200 grados cuadrados a una profundidad significativamente mayor, para permitir un control más preciso de los efectos sistemáticos de las mediciones de energía oscura. Puesto que WFIRST será lanzado cinco años más tarde que Euclid, optimizaremos los experimentos de energía oscura de WFIRST basándonos en lo que Euclid encuentre. Creo que en la próxima década tenemos una excelente oportunidad de iluminar la naturaleza de la energía oscura.
¿Qué papel juega la energía oscura en la expansión y futuro del Universo?
La energía oscura determinará el destino final del Universo. Dependiendo de su verdadera naturaleza, el Universo podría tener futuros radicalmente diferentes. Éste podría continuar expandiéndose indefinidamente, o podría dejar de expandirse, hasta finalmente contraerse. El Universo también podría “desgarrarse” en un futuro lejano a medida que se expandiese más y más rápido (fenómeno conocido como el “Big Rip”), o contraerse hasta finalmente morir en el “Big Crunch”. También podría continuar expandiéndose, hasta finalmente morir de extrema vejez cuando las partículas de la materia (como los protones) decayesen y únicamente la luz permaneciese. Todo esto puede sonar alarmante, pero el Universo no está en peligro de morir hasta los próximos 24-42 giga-años (información basada en un trabajo que realicé en 2004 https://arxiv.org/abs/astro-ph/0409264).
¿Cómo vincula su trabajo como científica y como escritora?
Adoro mi trabajo como cosmóloga, es un sueño que se hizo realidad desde que quise explorar los misterios del Universo cuando era una adolescente. Comencé escribiendo poesía cuando tenía 12 años, por lo que la escritura también es parte de mi identidad. He publicado un libro de texto sobre la energía oscura ("Dark Energy", Wiley/VCH, 2010), así como varios libros de poesía. Que yo sepa, no hay ningún vínculo intencionado entre mis dos pasiones, aunque creo que mis poemas han sido inevitablemente influenciados por mi perspectiva como cosmóloga, así que me esfuerzo por alcanzar claridad y profundidad en mi obra poética. Creo que ser poeta me hace ser mejor cosmóloga, ya que me aventuro a soñar a lo grande y ser atrevida y perseverante a la hora de conseguir mis objetivos científicos.
IAC
Esta semana los
científicos del proyecto Dark Energy Survey han presentado en EE UU y
España la medida más precisa jamás hecha de la estructura a gran escala
del cosmos. Los resultados confirman que el 26 % del universo se compone
de la misteriosa materia oscura, así como de un 70 % de energía oscura,
también invisible, que está causando su expansión acelerada. El nuevo
resultado compite en precisión con las medidas de la radiación de fondo
de microondas
Imaginad plantar una semilla y ser capaces de predecir con gran precisión la altura exacta del árbol que crecerá a partir de ella. Ahora imaginad poder viajar hacia el futuro y hacer una fotografía que demuestre que vuestra predicción era correcta.
Si tomamos la semilla como el universo primitivo, y el árbol como el universo actual, podemos hacernos una idea de lo que la colaboración Dark Energy Survey (DES) acaba de hacer. En una presentación que tuvo lugar este jueves en la reunión de la American Physical Society Division of Particles and Fields en el Fermi National Accelerator Laboratory, cerca de Chicago (EE UU), investigadores de esta colaboración mostraron la medida más precisa jamás hecha de la estructura a gran escala del universo actual.
Los resultados se presentan este viernes 4 de agosto por la mañana en el Centro de Ciencias Pedro Pascual de Benasque, donde el director del proyecto DES, el profesor Joshua Frieman, junto con otros investigadores de la colaboración, tanto españoles como extranjeros, y otros científicos, asisten a una reunión internacional para discutir los últimos resultados en las medidas del cosmos y su interpretación teórica.
Estas medidas de la cantidad y distribución de materia oscura en el cosmos actual se han hecho con una precisión que, por primera vez, rivaliza con la de las medidas del universo primitivo hechas por la misión espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA). El nuevo resultado del DES (el árbol, en la metáfora anterior) está cerca de las “predicciones” para el universo actual hechas a partir de las medidas de Planck del pasado lejano (la semilla). Los nuevos resultados permiten a los científicos comprender más sobre las maneras en que el universo ha evolucionado durante más de 14 mil millones de años.
Explorando 14 mil millones de años de historia cósmica
Paradójicamente, es más fácil medir la distribución de materia del universo en un pasado lejano de lo que es medirla hoy. En los primeros 400 000 años después del Big Bang, el universo estaba lleno de un gas incandescente, cuya luz sobrevive hasta nuestros días. El mapa de Planck de esta radiación cósmica de fondo de microondas nos da una instantánea del universo en ese momento temprano. Desde entonces, por un lado, la gravedad de la materia oscura ha atraído la masa y ha hecho que se formen estructuras en el universo a lo largo del tiempo. Por otro lado, la energía oscura, con su efecto repulsivo, ha estado combatiendo la atracción de la materia. Usando el mapa de Planck como punto de partida, los cosmólogos pueden calcular con precisión cómo se ha desarrollado esta batalla entre materia y energía oscuras a lo largo de más de 14 000 millones de años.
“Con estas fantásticas medidas, DES está empezando a mostrar la enorme capacidad que tiene para producir resultados que supongan un avance importante en nuestra comprensión del universo. Los próximos años nos pueden deparar sorpresas acerca del lado oscuro del universo”, ha dicho Eusebio Sánchez, el investigador responsable del proyecto en el CIEMAT.
Cosmología observacional de alta precisión
El instrumento principal de DES es la Dark Energy Camera que, con 570 megapíxeles, es una de las cámaras astronómicas más potentes existentes en la actualidad, capaz de capturar imágenes digitales de galaxias a ocho mil millones de años luz de la Tierra. La cámara se construyó y probó en Fermilab, el laboratorio principal del Dark Energy Survey, y el grupo español de la colaboración contribuyó decisivamente a su construcción, ya que fue responsable del diseño, fabricación y verificación del sistema electrónico completo, así como del sistema de guiado del Telescopio. Los investigadores de DES usan la cámara durante cinco años para estudiar un octavo del cielo con un detalle sin precedentes. El quinto año de observación comenzará a mediados de agosto.
Los nuevos resultados publicados ayer se basan únicamente en datos recogidos durante el primer año de observación y cubren una trigésima parte del cielo. Los científicos de DES utilizaron dos métodos para medir la materia oscura. Primero, crearon mapas de posiciones de galaxias, y segundo, midieron con precisión las formas de 26 millones de galaxias lejanas para cartografiar directamente los patrones de materia oscura a lo largo de miles de millones de años luz, usando una técnica llamada lente gravitacional.
Para realizar estas medidas de alta precisión, el equipo de DES ha desarrollado nuevas técnicas para detectar las diminutas distorsiones que las lentes gravitacionales producen en las imágenes que se obtienen de las galaxias lejanas, un efecto que ni siquiera es visible al ojo humano. Las nuevas técnicas hacen posible un avance revolucionario en la comprensión de estas señales cósmicas. En el proceso, crearon el mapa más grande jamás hecho de la materia oscura en el cosmos. El nuevo mapa de materia oscura es diez veces más grande que el que la propia colaboración DES publicó en 2015, y será finalmente tres veces más grande de lo que es ahora cuando se incluyan todos los datos de cinco años de observación.
Científicos del IFAE han sido líderes de una de las técnicas utilizadas en estas medidas, que correlaciona entre sí las posiciones de las galaxias cercanas con las formas de las galaxias lejanas, contribuyendo a la enorme precisión alcanzada. "Con las medidas que hemos hecho, hemos contribuido a entender mejor la relación que hay entre las galaxias y la materia oscura, que es un elemento crucial para realizar este análisis cosmológico", ha comentado Judit Prat, estudiante de doctorado en el IFAE y primera autora de uno de los artículos publicados.
El IEEC-CSIC ha participado en la creación de mapas de materia oscura, las simulaciones y el estudio de agrupamiento de galaxias. La UAM ha construido catálogos sintéticos para el estudio de errores sistemáticos y las matrices de covariancia. El CIEMAT también ha contribuido a la construcción de los catálogos de galaxias y el estudio del agrupamiento de las mismas. Los cuatro equipos españoles han tenido un papel clave dentro de la colaboración DES en la determinación de la distancia a las galaxias, que es un elemento esencial para poder interpretar los resultados que ahora se anuncian.
CIEMAT/IEEC/Benasque.org
Mapa de la materia oscura realizada a partir de medidas de lente gravitatoria de 26 millones de galaxias por el Dark Energy Survey. El mapa cubre aproximadamente una trigésima parte de todo el cielo y abarca varios miles de millones de años luz en extensión. Las regiones rojas tienen más materia oscura que la media; las regiones azules, menos. / Chihway Chang del Kavli Institute for Cosmological Physics de la Universidad de Chicago, y la colaboración DES.
Imaginad plantar una semilla y ser capaces de predecir con gran precisión la altura exacta del árbol que crecerá a partir de ella. Ahora imaginad poder viajar hacia el futuro y hacer una fotografía que demuestre que vuestra predicción era correcta.
Si tomamos la semilla como el universo primitivo, y el árbol como el universo actual, podemos hacernos una idea de lo que la colaboración Dark Energy Survey (DES) acaba de hacer. En una presentación que tuvo lugar este jueves en la reunión de la American Physical Society Division of Particles and Fields en el Fermi National Accelerator Laboratory, cerca de Chicago (EE UU), investigadores de esta colaboración mostraron la medida más precisa jamás hecha de la estructura a gran escala del universo actual.
El nuevo resultado del DES está cerca de las “predicciones” para el universo actual hechas a partir de las medidas de Planck del pasado lejano
Los resultados se presentan este viernes 4 de agosto por la mañana en el Centro de Ciencias Pedro Pascual de Benasque, donde el director del proyecto DES, el profesor Joshua Frieman, junto con otros investigadores de la colaboración, tanto españoles como extranjeros, y otros científicos, asisten a una reunión internacional para discutir los últimos resultados en las medidas del cosmos y su interpretación teórica.
Estas medidas de la cantidad y distribución de materia oscura en el cosmos actual se han hecho con una precisión que, por primera vez, rivaliza con la de las medidas del universo primitivo hechas por la misión espacial Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA). El nuevo resultado del DES (el árbol, en la metáfora anterior) está cerca de las “predicciones” para el universo actual hechas a partir de las medidas de Planck del pasado lejano (la semilla). Los nuevos resultados permiten a los científicos comprender más sobre las maneras en que el universo ha evolucionado durante más de 14 mil millones de años.
“Por un lado es emocionante poder confirmar las predicciones del modelo estándar y aportar los resultados más precisos sobre el ritmo de crecimiento de estructuras cósmicas”, ha declarado Enrique Gaztañaga, investigador principal en el Institut de Ciències de l'Espai (IEEC-CSIC). ”Pero todavía no hemos encontrado una pista definitiva de por qué el universo se está acelerando”. Lo más notable es que este resultado apoya la teoría de que el 26 por ciento del universo.
Todavía no se ha encontrado una pista definitiva de por qué el universo se está acelerando
Explorando 14 mil millones de años de historia cósmica
Paradójicamente, es más fácil medir la distribución de materia del universo en un pasado lejano de lo que es medirla hoy. En los primeros 400 000 años después del Big Bang, el universo estaba lleno de un gas incandescente, cuya luz sobrevive hasta nuestros días. El mapa de Planck de esta radiación cósmica de fondo de microondas nos da una instantánea del universo en ese momento temprano. Desde entonces, por un lado, la gravedad de la materia oscura ha atraído la masa y ha hecho que se formen estructuras en el universo a lo largo del tiempo. Por otro lado, la energía oscura, con su efecto repulsivo, ha estado combatiendo la atracción de la materia. Usando el mapa de Planck como punto de partida, los cosmólogos pueden calcular con precisión cómo se ha desarrollado esta batalla entre materia y energía oscuras a lo largo de más de 14 000 millones de años.
"Los próximos años nos pueden deparar sorpresas acerca del lado oscuro del universo", dicen los investigadores
“Con estas fantásticas medidas, DES está empezando a mostrar la enorme capacidad que tiene para producir resultados que supongan un avance importante en nuestra comprensión del universo. Los próximos años nos pueden deparar sorpresas acerca del lado oscuro del universo”, ha dicho Eusebio Sánchez, el investigador responsable del proyecto en el CIEMAT.
Cosmología observacional de alta precisión
El instrumento principal de DES es la Dark Energy Camera que, con 570 megapíxeles, es una de las cámaras astronómicas más potentes existentes en la actualidad, capaz de capturar imágenes digitales de galaxias a ocho mil millones de años luz de la Tierra. La cámara se construyó y probó en Fermilab, el laboratorio principal del Dark Energy Survey, y el grupo español de la colaboración contribuyó decisivamente a su construcción, ya que fue responsable del diseño, fabricación y verificación del sistema electrónico completo, así como del sistema de guiado del Telescopio. Los investigadores de DES usan la cámara durante cinco años para estudiar un octavo del cielo con un detalle sin precedentes. El quinto año de observación comenzará a mediados de agosto.
"Es un placer ver como empiezan a llegar los resultados de un proyecto en el que los grupos españoles nos involucramos desde el principio, hace ya 12 años, y donde hemos hecho contribuciones muy relevantes", ha declarado Ramon Miquel, investigador principal de DES en el IFAE en Barcelona.
Los nuevos resultados publicados ayer se basan únicamente en datos recogidos durante el primer año de observación y cubren una trigésima parte del cielo. Los científicos de DES utilizaron dos métodos para medir la materia oscura. Primero, crearon mapas de posiciones de galaxias, y segundo, midieron con precisión las formas de 26 millones de galaxias lejanas para cartografiar directamente los patrones de materia oscura a lo largo de miles de millones de años luz, usando una técnica llamada lente gravitacional.
El DES ha creado el mapa más grande jamás hecho de la materia oscura en el cosmos
Para realizar estas medidas de alta precisión, el equipo de DES ha desarrollado nuevas técnicas para detectar las diminutas distorsiones que las lentes gravitacionales producen en las imágenes que se obtienen de las galaxias lejanas, un efecto que ni siquiera es visible al ojo humano. Las nuevas técnicas hacen posible un avance revolucionario en la comprensión de estas señales cósmicas. En el proceso, crearon el mapa más grande jamás hecho de la materia oscura en el cosmos. El nuevo mapa de materia oscura es diez veces más grande que el que la propia colaboración DES publicó en 2015, y será finalmente tres veces más grande de lo que es ahora cuando se incluyan todos los datos de cinco años de observación.
Científicos del IFAE han sido líderes de una de las técnicas utilizadas en estas medidas, que correlaciona entre sí las posiciones de las galaxias cercanas con las formas de las galaxias lejanas, contribuyendo a la enorme precisión alcanzada. "Con las medidas que hemos hecho, hemos contribuido a entender mejor la relación que hay entre las galaxias y la materia oscura, que es un elemento crucial para realizar este análisis cosmológico", ha comentado Judit Prat, estudiante de doctorado en el IFAE y primera autora de uno de los artículos publicados.
El IEEC-CSIC ha participado en la creación de mapas de materia oscura, las simulaciones y el estudio de agrupamiento de galaxias. La UAM ha construido catálogos sintéticos para el estudio de errores sistemáticos y las matrices de covariancia. El CIEMAT también ha contribuido a la construcción de los catálogos de galaxias y el estudio del agrupamiento de las mismas. Los cuatro equipos españoles han tenido un papel clave dentro de la colaboración DES en la determinación de la distancia a las galaxias, que es un elemento esencial para poder interpretar los resultados que ahora se anuncian.
Se ha conseguido crear el primer mapa de un puente de materia oscura
que enlaza entre sí a galaxias. La imagen, un mosaico compuesto por
fotografías de distintas zonas, confirma las predicciones de que las
galaxias del universo están enlazadas entre sí a través de una red
cósmica conectada por materia oscura que hasta ahora no había podido ser
observada.
Los filamentos de materia oscura (en
rojo) actúan como puentes cubriendo el espacio entre galaxias (en
blanco) sobre este mapa del cosmos en colores falsos. (Imagen:
University of Waterloo)
La materia oscura, una clase misteriosa de materia que constituye
alrededor del 25 por ciento del universo (masa y energía), no brilla,
absorbe o refleja luz. Tradicionalmente ha sido indetectable, excepto
por sus efectos gravitatorios.
Durante décadas, los investigadores han estado prediciendo la
existencia de filamentos de materia oscura entre galaxias que actúen
como una superestructura parecida a una red que las conecte entre sí. El
nuevo avance en la observación de la materia oscura permitirá conocer
mejor a esta misteriosa forma de materia.
El equipo de Mike Hudson, de la Universidad de Waterloo en Canadá,
utilizó una técnica llamada lente gravitatoria débil. Es un efecto que
ocasiona que las imágenes de galaxias lejanas se vean distorsionadas
ligeramente bajo la influencia de la masa de un astro que desde la
Tierra resulta invisible, como un planeta, un agujero negro o, en este
caso, materia oscura.
El equipo de Hudson combinó imágenes de lente gravitatoria de más de
23.000 pares de galaxias situadas a 4.500 millones de años-luz de
distancia para crear un mosaico de imágenes o mapa que muestra la
presencia de materia oscura entre las dos galaxias de cada par. Los
resultados muestran que el filamento de materia oscura que hace de
puente es más fuerte entre sistemas con menos de 40 millones de años-luz
de separación.
ESO
Observaciones de galaxias distantes llevadas a cabo con el VLT sugieren que estaban dominadas por materia ordinaria
Notas
[1] El disco de una galaxia espiral gira en una escala temporal de cientos de millones de años. Los núcleos de las galaxias espirales tienen una alta concentración de estrellas, pero la densidad de materia luminosa disminuye hacia la periferia. Si la masa de una galaxia estuviera formada solo por materia normal, entonces las regiones exteriores más alejadas del centro deberían girar más lentamente que las regiones densas del centro. Pero las observaciones de galaxias espirales cercanas nos muestran que sus partes internas y externas en realidad giran, aproximadamente, a la misma velocidad. Estas "curvas de rotación planas" indican que las galaxias espirales deben contener grandes cantidades de materia no luminosa en un halo de materia oscura que rodea al disco galáctico.
[2] Los datos analizados fueron obtenidos con los espectrómetros de campo integral KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO (Chile) en el marco de los sondeos KMOS3D y SINS/zC-SINF. Es la primera vez que se lleva a cabo un estudio tan completo de la dinámica de un gran número de galaxias que abarca el intervalo de desplazamiento al rojo de z~0,6 a 2,6, o 5.000 millones de años de tiempo cósmico.
ESO
Nuevas observaciones indican que, durante la época de mayor formación de galaxias, hace unos 10.000 millones de años, las galaxias masivas con formación estelar estaban dominadas por materia bariónica o "normal". Esto choca con lo que vemos en las galaxias actuales, en las que domina la misteriosa materia oscura. Este sorprendente resultado se obtuvo utilizando el VLT (Very Large Telescope), de ESO, y sugiere que la materia oscura en el universo temprano fue menos influyente que en la actualidad. La investigación se presenta en cuatro artículos científicos, uno de los cuales se ha publicado hoy en la revista Nature.
Vemos la materia normal como brillantes estrellas, refulgente gas y nubes de polvo. Pero la elusiva materia oscura no emite, absorbe o refleja la luz y sólo puede ser observada a través de sus efectos gravitacionales. La presencia de materia oscura puede explicar por qué las partes exteriores de galaxias espirales cercanas giran más rápido de lo que se esperaría si sólo estuvieran compuestan por la materia normal que podemos ver directamente [1].
Ahora, un equipo internacional de astrónomos dirigido por Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (Garching, Alemania), ha utilizado los instrumentos KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile, [2] para medir la rotación de seis galaxias masivas con formación estelar en el universo distante en el momento de máxima formación de galaxias, hace 10.000 millones de años.
Lo que descubrieron es intrigante: a diferencia de las galaxias espirales del universo actual, las regiones exteriores de estas galaxias distantes parecen giran más lentamente que las regiones más cercanas al núcleo, sugiriendo que hay menos materia oscura de lo esperado.
Ambos efectos parecen ser más marcados a medida que los astrónomos miran más lejos y más atrás en el tiempo, en el universo temprano. Esto sugiere que entre los 3.000 y 4.000 millones de años después del Big Bang, el gas en las galaxias ya se había condensado eficientemente en discos planos y rotantes, mientras que los halos de materia oscura alrededor de ellos eran mucho más grandes y estaban más dispersos hacia las zonas exteriores. Al parecer, la materia oscura necesitó miles de millones de años más para condensarse, por lo que su efecto dominante sólo se ve hoy en día.
Esta explicación es consistente con las observaciones que muestran que las primeras galaxias eran mucho más ricas en gas y más compactas que las galaxias actuales.
Las seis galaxias mapeadas en este estudio formaban parte de una muestra mayor de cien discos de galaxias distantes con formación estelar cuyas imágenes fueron obtenidas por los instrumentos KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile. Además de las mediciones de galaxias individuales descritas anteriormente, se ha creado una curva de rotación promedio combinando las señales más débiles de las demás galaxias. Esta curva, fruto de la composición, también mostró la misma tendencia decreciente de la velocidad a medida que se alejaban de los centros de las galaxias. Además, dos estudios de más de 240 discos de galaxias con formación estelar apoyan estos resultados.
Un modelo detallado muestra que, en promedio, mientras la materia normal suele representar aproximadamente la mitad de la masa total de todas las galaxias, en los desplazamientos al rojo más elevados, la materia normal domina completamente la dinámica de las galaxias.
Vemos la materia normal como brillantes estrellas, refulgente gas y nubes de polvo. Pero la elusiva materia oscura no emite, absorbe o refleja la luz y sólo puede ser observada a través de sus efectos gravitacionales. La presencia de materia oscura puede explicar por qué las partes exteriores de galaxias espirales cercanas giran más rápido de lo que se esperaría si sólo estuvieran compuestan por la materia normal que podemos ver directamente [1].
Ahora, un equipo internacional de astrónomos dirigido por Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (Garching, Alemania), ha utilizado los instrumentos KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile, [2] para medir la rotación de seis galaxias masivas con formación estelar en el universo distante en el momento de máxima formación de galaxias, hace 10.000 millones de años.
Lo que descubrieron es intrigante: a diferencia de las galaxias espirales del universo actual, las regiones exteriores de estas galaxias distantes parecen giran más lentamente que las regiones más cercanas al núcleo, sugiriendo que hay menos materia oscura de lo esperado.
"Sorprendentemente, las velocidades de rotación no son constantes, sino que disminuyen de dentro hacia fuera en las galaxias", comenta Reinhard Genzel, autor principal del artículo de Nature. "Probablemente haya dos causas para esto. En primer lugar, la mayoría de estas galaxias masivas tempranas está fuertemente dominada por materia normal, por lo que la materia oscura juega un papel mucho menos importante que en el Universo Local. En segundo lugar, estos discos tempranos fueron mucho más turbulentos que las galaxias espirales que vemos en nuestra vecindad cósmica".
Ambos efectos parecen ser más marcados a medida que los astrónomos miran más lejos y más atrás en el tiempo, en el universo temprano. Esto sugiere que entre los 3.000 y 4.000 millones de años después del Big Bang, el gas en las galaxias ya se había condensado eficientemente en discos planos y rotantes, mientras que los halos de materia oscura alrededor de ellos eran mucho más grandes y estaban más dispersos hacia las zonas exteriores. Al parecer, la materia oscura necesitó miles de millones de años más para condensarse, por lo que su efecto dominante sólo se ve hoy en día.
Esta explicación es consistente con las observaciones que muestran que las primeras galaxias eran mucho más ricas en gas y más compactas que las galaxias actuales.
Las seis galaxias mapeadas en este estudio formaban parte de una muestra mayor de cien discos de galaxias distantes con formación estelar cuyas imágenes fueron obtenidas por los instrumentos KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile. Además de las mediciones de galaxias individuales descritas anteriormente, se ha creado una curva de rotación promedio combinando las señales más débiles de las demás galaxias. Esta curva, fruto de la composición, también mostró la misma tendencia decreciente de la velocidad a medida que se alejaban de los centros de las galaxias. Además, dos estudios de más de 240 discos de galaxias con formación estelar apoyan estos resultados.
Un modelo detallado muestra que, en promedio, mientras la materia normal suele representar aproximadamente la mitad de la masa total de todas las galaxias, en los desplazamientos al rojo más elevados, la materia normal domina completamente la dinámica de las galaxias.
Notas
[1] El disco de una galaxia espiral gira en una escala temporal de cientos de millones de años. Los núcleos de las galaxias espirales tienen una alta concentración de estrellas, pero la densidad de materia luminosa disminuye hacia la periferia. Si la masa de una galaxia estuviera formada solo por materia normal, entonces las regiones exteriores más alejadas del centro deberían girar más lentamente que las regiones densas del centro. Pero las observaciones de galaxias espirales cercanas nos muestran que sus partes internas y externas en realidad giran, aproximadamente, a la misma velocidad. Estas "curvas de rotación planas" indican que las galaxias espirales deben contener grandes cantidades de materia no luminosa en un halo de materia oscura que rodea al disco galáctico.
[2] Los datos analizados fueron obtenidos con los espectrómetros de campo integral KMOS y SINFONI, instalados en el VLT (Very Large Telescope) de ESO (Chile) en el marco de los sondeos KMOS3D y SINS/zC-SINF. Es la primera vez que se lleva a cabo un estudio tan completo de la dinámica de un gran número de galaxias que abarca el intervalo de desplazamiento al rojo de z~0,6 a 2,6, o 5.000 millones de años de tiempo cósmico.
ESO
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