Un mes después del lanzamiento, el telescopio espacial Euclid llegará a su destino en el espacio. Las mediciones científicas del universo tomarán alrededor de seis años. Fuente: ESA/ATG
El 1 de julio, el telescopio espacial Euclid comenzará su viaje al espacio en una importante misión: buscar más pistas sobre el origen del universo. Los investigadores de la UZH participan en la preparación científica y la evaluación de la misión como parte de un proyecto liderado por la Agencia Espacial Europea (ESA).
Estrellas resplandecientes, nebulosas misteriosas y galaxias distantes: las imágenes del espacio exterior encienden nuestra imaginación y fantasean con la vida extraterrestre. Pero la materia visible conocida por los científicos es en realidad solo alrededor del 5% del universo; El 95% del universo es la proverbial caja negra. Dos factores invisibles, llamados materia oscura y energía oscura, influyen en la distribución de objetos en el espacio y la expansión del universo.
El telescopio espacial Euclid ya está listo para arrojar luz sobre la oscuridad: el 1 de julio de 2023 comenzará su misión de mapear la estructura a gran escala de las galaxias hasta 10 mil millones de años luz de la Tierra en un mapa 3D. Los científicos esperan que esta grabación única de la red cósmica revele más sobre la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, así como sobre las leyes de la gravedad.
Observación indirecta a través del efecto lupa
“La materia oscura es materia que no emite, absorbe ni refleja la luz”, explica Francesca Lepori, cosmóloga del Centro de Astrofísica Teórica y Cosmología de la UZH. Debido a que es invisible, es difícil para los científicos estudiarlo. Pero parece claro que debe haber algo más allí: “La disposición observada de las galaxias no puede explicarse mediante la relatividad general, a menos que haya más masa de la que podemos ver”, dice Lepori.
La única forma de estudiar la materia oscura es a través de su interacción con la fuerza de la gravedad. Es por eso que Euclid tiene un instrumento llamado VISible (VIS), que puede generar imágenes de galaxias con gran precisión. “Mediremos cómo se ven las galaxias distorsionadas a partir de las imágenes”, explica Lepori. Esta distorsión ocurre debido a un efecto llamado lente gravitacional: la masa entre el telescopio y la galaxia observada refracta la luz como una lupa, haciendo que la galaxia detrás de él parezca distorsionada. “Este efecto nos dará información sobre cuánta materia oscura hay entre Euclides y la galaxia observada” – dice el cosmólogo.
La energía oscura domina
Desde 1998, los científicos han estado trabajando en otro fenómeno invisible que no puede ser explicado por la teoría general de la relatividad de Einstein. Sobre la base de mediciones de estrellas extremadamente brillantes (supernovas) en explosión, dos grupos de investigación han descubierto que la expansión del universo no se está desacelerando como se suponía anteriormente, sino que se está acelerando. “Esta aceleración comenzó hace unos 5 mil millones de años”, dice Lepori. “No esperarías eso de la materia ordinaria y oscura. Atribuimos la causa de la expansión acelerada a una forma exótica de energía llamada energía oscura”.
La descripción más simple de la energía oscura que tienen los científicos actualmente es la constante cosmológica: establece que la densidad de la energía oscura no cambia a lo largo de la evolución del cosmos. Mientras Euclid mira hacia el comienzo del universo hace 10 mil millones de años, observando galaxias muy distantes, los científicos pueden investigar si la energía oscura realmente ha cambiado con el tiempo.
Ver rojo puede ser instructivo
Los científicos esperan obtener datos más concluyentes sobre la expansión del universo y la energía oscura que lo impulsa desde el segundo instrumento a bordo de Euclid. Es un espectrómetro y fotómetro de infrarrojo cercano (NISP) con el que los científicos pueden evaluar un fenómeno llamado corrimiento al rojo. Al igual que el efecto Doppler de la luz, las galaxias que se alejan de nosotros parecen “más rojas” porque la longitud de onda que reciben se estira. “Cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja de la Tierra”, dice Lepori. “Entonces, a partir del desplazamiento hacia el rojo, podemos inferir la distancia a la galaxia y obtener información sobre la expansión del universo”.
Sin embargo, Lepori aún no está listo para aceptar un modelo simple de la constante cosmológica. “Espero que Euclid nos dé nueva información”, dice. “Por ejemplo, ha cambiado la densidad de la energía oscura a lo largo de la evolución del universo”.
Euclid también puede proporcionar pistas clave para la teoría de la relatividad general de Einstein. “Las leyes de la gravedad solo funcionan a gran escala si introducimos ingredientes oscuros”, explica Lepori. Pero, dice, también es posible que, en una escala cósmica, la relatividad general aún no sea del todo correcta. “Los científicos han desarrollado muchos modelos complejos de teorías modificadas de la gravedad”, dice Lepori. “Pero ahora necesitamos las observaciones de Euclid para orientarnos en la dirección correcta”.
Fuente: ESA
Contribuciones de UZH
Lepori y otros nueve investigadores de la UZH participan en la evaluación científica de la misión espacial. Más de 2.600 investigadores de 100 institutos de Europa, Estados Unidos, Canadá y Japón forman parte del consorcio Euclid. Trabajan en una amplia gama de temas, desde la definición de objetivos científicos y la construcción de instrumentos de medición hasta el análisis y la evaluación de datos.
“Como parte del Grupo de Trabajo de Teoría, investigo qué efectos de la relatividad general son cruciales para Euclides y deben tenerse en cuenta en el análisis”, dice Lepori sobre su función. Es investigador postdoctoral del profesor de SNSF-Eccellenza Julian Adamek, quien contribuye a la misión Euclid con sus simulaciones numéricas. Adamek desarrolló un código que replica la distribución tridimensional de la materia en la relatividad general, así como en las teorías modificadas de la gravedad.
Los científicos de UZH también están involucrados de otras maneras. La simulación, realizada por el cosmólogo informático de UZH Joachim Stadel y el especialista en computación de alto rendimiento Doug Potter, mapea todas las galaxias que Euclid podría observar. Se utiliza, entre otras cosas, para probar qué tan bien las herramientas analíticas manejan grandes cantidades de datos. Mientras tanto, el profesor de astrofísica Aurel Schneider está analizando varios escenarios de materia oscura y estudiando su impacto en las observaciones cosmológicas. Los investigadores de la UZH Giovanni Arico, Jeppe Mosgaard Dakin, Sebastian Schulz, Jozef Bucko y Jaiyul Yoo realizan otras contribuciones al Consorcio Euclid.
Canalización de datos en preparación
Cuando Euclid emprenda un viaje espacial en julio, el trabajo de los científicos de UZH no cambiará de inmediato. Además de explorar lo que se puede aprender de Euclid, actualmente están trabajando en metodologías y herramientas para procesar y analizar datos de Euclid. “Tan pronto como nos llegue el primer paquete de datos, nos concentraremos por completo en analizarlo”, dice Lepori. Las primeras fotos de Euclid se esperan para fin de año.
Big Bang
Actualmente, el modelo mejor probado del origen del universo es la teoría del Big Bang. Describe el desarrollo del universo después del Big Bang hace 13.700 millones de años, cuando se crearon la materia, el espacio y el tiempo. “El Big Bang no es necesariamente el comienzo del universo, sino un punto en el tiempo antes del cual no podemos decir nada científicamente, porque no está disponible para nuestras observaciones”, explica la cosmóloga Francesca Lepori.
En la primera fase posterior al Big Bang, el universo se expandía rápidamente. En este punto, consistía en un plasma casi homogéneo de partículas elementales. No fue hasta que el universo se enfrió que se formaron los primeros átomos y los fotones pudieron separarse. Luego vino la llamada “edad oscura”, en la que todavía no había galaxias ni fuentes visibles de luz.
Unos 200 millones de años después del Big Bang, comenzaron a formarse estrellas y galaxias. Bajo la influencia de la gravedad, las galaxias individuales formaron cada vez más una estructura a gran escala que se asemeja a una red de nodos y conexiones, razón por la cual se llama red cósmica. Entre ellos hay áreas de casi ninguna materia, llamadas vacíos.
La fase en la que se formó la red cósmica se denomina fase del universo dominada por la materia porque fue impulsada por la gravedad y la materia oscura. Sin embargo, 5 mil millones de años después del Big Bang, la dinámica del universo ha cambiado: en lugar de ralentizarse aún más, la expansión del universo sigue acelerándose. Los científicos explican esto por el hecho de que la energía oscura ahora domina la expansión.
Proporcionado por la Universidad de Zúrich