Hace un par de días apareció en las columnas de opinión del periódico Sydney Morning Herald un comentario que sostenía que para qué se está invirtiendo tanto en Ciencia si no nos está llevando muy lejos, dado que las portadas de las tres últimas ediciones de la revista New Scientist versaban claramente sobre la incapacidad de los científicos para entender el Universo. En efecto, estas tres portadas se titulaban La Mitad del Universo se desconoce (23 de abril), Límites del conocimiento: hay cosas que nunca entenderemos (7 de mayo) y El gran espejismo: todo lo que piensas es una ilusión (14 de mayo). En estos momentos, me gustaría recordar a Sócrates con su famosísima máxima Sólo sé que no se nada. Y es que conforme más intentamos conocer, más nos damos cuenta de todo lo que hay por ahí fuera que aún desconocemos.
La materia oscura y la energía oscura
En Astrofísica, afortunadamente, aún desconocemos muchas, muchísimas cosas. Recuerdo que es la única Ciencia en la que no se pueden hacer experimentos, sino que todos los resultados astrofísicos son el resultado de la observación astronómica junto con teorías físicas que intentan demostrar su validez a partir de los datos observacionales. Además de lo que os contaba ayer sobre cómo son los planetas en un contexto Galáctico, otro de los puntos calientes de la Astrofísica (y la Ciencia) actual es conocer la composición de nuestro Universo. Como seguro sabéis, pero siempre es bueno recordar, la materia que nos compone a nosotros, a los planetas y a las estrellas (la materia bariónica) es sólo el 4% de toda la materia del Universo. La misteriosa materia oscura, de la que no tenemos aún NI LA MÁS REMOTA IDEA de lo que es (sí, hay teorías, pero nada aún demostrado), compone el 22% del Universo. El 73% restante es una cosa también desconocida que se ha bautizado como Energía Oscura. Lo explicaban muy bien en este cómic animado de PhD-Comics (en inglés).
¿Pero, existen realmente la materia oscura y la energía oscura? Ambas entran dentro de las teorías cosmológicas aceptadas actualmente sobre la formación y evolución del Universo (modelos de formación jerarquizados con materia oscura fría y constante cosmológica, ΔCDM). Y vamos recogiendo más pruebas y pruebas de que, por el momento, esta teoría es la que mejor reproduce las observaciones del Universo profundo.
Diagrama que muestra dos formas de medir la velocidad con la que se expande el Universo. A la izquierda, el uso de "candelas estándares", que involucra el estudio de explosiones de supernova del tipo Ia, y con el que se descubrió la expansión acelerada del Universo. A la derecha, el uso de la "regla estándar", que supone la medida de la distancia entre parejas de galaxias. Crédito de la imagen: Equipo WiggleZ, NASA/JPL-Caltech, Barnaby Norris, Emily Wisnioski, Sarah Brough, Michael Drinkwater, David Woods.
La última investigación científica que proporciona no una sino dos pruebas independientes sobre la existencia de la energía oscura la ha realizado un grupo de astrofísicos australianos usando tanto el El Telescopio Anglo-Australiano (sí, justamente con la cámara 2dF/AAOmega que os explicaba el mes pasado en el documental sobre el AAT) como datos en ultravioleta del satélite GALEX (NASA). Las notas de prensa han aparecido simultáneamente en todos lados, desde el propio Australian Astronomical Observatory a la página de GALEX, pasando por NASA y las universidades australianas de Swinburne (Melbourne) y Queensland (Brisbane). Y hoy inundan todos los servidores de noticias astronómicos, incluso desbancando la noticia de la existencia de planetas flotando libremente por la Galaxia. Así que aquí va un explicación en castellano de qué es lo que se ha hecho en esta investigación.
El grupo musical infantil The Wiggles en acción, de donde proviene el nombre del cartografiado WiggleZ.
Crédito de la imagen: Anthony Arambula, Wikipedia.
El Cartografiado WiggleZ
The Wiggles es un famosísimo grupo australiano musical para niños, podría traducirse como los que se menean, o se contonean o se curvan. Como digo es muy muy famoso en Australia y, dado que los astrónomos somos muy niños muchas veces, se decidió llamar WiggleZ a un cartografiado profundo que mapea la posición tridimensional de casi 240 000 galaxias hasta una distancia de 8 000 millones de años luz usando el instrumento 2dF/AAOmega en el Telescopio Anglo-Australiano (AAT). La Z del final del nombre viene por la designación científica de redshift o desplazamiento al rojo, que se abrevia con z (minúscula y en cursiva). 8000 millones de años luz de distancia (edad del Universo de 5700 millones de años) corresponden a un z de 1 aproximadamente. Como z se define como velocidad a la que vemos se aleja una galaxia con respecto a la velocidad de la luz (z=v/c), un redshift de 1 indica que las galaxias a esa distancia parece que se alejan de nosotros a la velocidad de la luz, como consecuencia de la expansión del Universo.
El cartografiado WiggleZ ha usado 276 noches de observación en el AAT entre 2006 y 2011 para conseguir los espectros de 238 770 galaxias sobre un área concreta del cielo. Estas galaxias se seleccionaron usando datos ópticos y datos el ultravioleta del satélite GALEX, para de esa forma asegurarse que las galaxias observadas tenían cierta formación estelar, siendo así (gracias a la identificación de las líneas de emisión del gas nebular, como Hα, [O III] λ5007 o [O II]λ3727) más fácil estimar la distancia real a cada objeto. El objetivo final del cartografiado WiggleZ es, en efecto, demostrar la existencia de la energía oscura mediante mediciones precisas de cómo se menea, contenea o curva (=Wiggle) el Universo. Por supuesto, la ingente cantidad de datos obtenida con este cartografiado va a servir para muchas cosas más, como poner límites a la masa del neutrino, probar modelos de gravedad modificada, u observar galaxias starburst muy lejanas. En efecto, con todos esos espectros se ha elaborado una base de datos que consta de casi 200 000 galaxias con medidas útiles de distancia.
WiggleZ ha sido coordinado por los profesores Warrick Couch (Swinburne University of Technology, Melbourne) y Michael Drinkwater (University of Queensland). El análisis de los resultados ha sido coordinado por Chris Blake (Swinburne), mientras que las operaciones en el AAT se dirigían por el mismísimo director del Australian Astronomical Observatory, el profesor Matthew Colless (AAO, Sydney).
Imagen seleccionada en la Nota de Prensa con la confirmación de la existencia de la energía oscura proporcionada por el cartografiado WiggleZ, que usa datos tanto del Telescopio Anglo-Australiano (Observatorio de Siding Spring, Australia) como del satélite GALEX (NASA). En esta representación, la energía oscura (que se representa por la malla violeta) es una fuerza constante y uniforme que impregna todo el espacio, dominando sobre los efectos de la gravedad (malla verde). Las observaciones de WiggleZ han servido para medir la distancia típica entre parejas de galaxias (se muestran los ejemplos de las imágenes de GALEX de M 81 y M 33 a derecha e izquierda, respectivamente) en un intervalo de unos 5500 millones de años para medir las oscilaciones acústicas de bariones. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech.
¿Cómo se distribuyen las galaxias? Oscilaciones Acústicas de Bariones
La energía oscura se descubrió a finales del milenio pasado al encontrarse que el Universo se expandía más rápidamente de lo que se esperaba por su propia gravedad. Fueron las medidas a supernovas (del tipo Ia) a distancias cosmológicas, que sirven de unidades patrón al tener siempre la misma luminosidad en su máximo (*), las que dieron la voz de alarma sobre la extraña expansión del Universo e introdujeron el concepto de energía oscura para explicar este fenómeno: algo que se opone completamente a la fuerza de la gravedad está estirando el espacio.
Uno de los métodos más fiables para probar la existencia de la energía oscura está basado en cómo se distribuyen las galaxias en el espacio. Las parejas de galaxias tienen cierta preferencia a encontrarse separadas por una distancia en concreto. Esta distancia preferencial es consecuencia por ondas de presión (ondas sonoras) en el universo temprano (pocos cientos de miles de años de edad) y caliente. Al irse expandiendo el espacio, estas ondas acústicas se quedaron congeladas en la estructura a gran escala del Univeso, haciendo que existiesen zonas más densas de materia (más galaxias) y zonas menos densas (pocas galaxias). Esto lo observamos en la radiación cósmica de fondo, que muestra claramente cómo la materia tiende a agruparse a distancias concretas. Pero al expandirse el Universo estas estructuras se expanden con él, creando unas Oscilaciones Acústicas de Bariones (Baryon Acoustic Oscillations en inglés). Lo que los científicos de WiggleZ han hecho es medir esta distancia cuando el Universo tenía unos 8000 millones de años de edad (ahora tiene 13700 millones de años de edad). Los resultados obtenidos están muy de acuerdo con los modelos cosmológicos que incorporan un 73% de energía oscura con un 27% de materia (4% bariónica, el resto materia oscura).
Esta investigación está publicada en el siguiente artículo científico:
The WiggleZ Dark Energy Survey: testing the cosmological model with baryon acoustic oscillations at z = 0.6.Chris Blake, Tamara Davis, Gregory B. Poole et al [26 authors]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, in press. Online en http://arxiv.org/abs/1105.2862.
Diagrama explicando la evolución del Universo. En esta ilustración, el tiempo pasa desde la parte superior (donde vemos la radiación cósmica de fondo) a la parte inferior (galaxias del Universo Local). Los círculos sobre la radiación cósmica de fondo indican dos fuentes de ondas de presión en el Universo primitivo, que se propagan como ondas sobre un lago en calma. Las galaxias tienden a colocarse en el centro y en los bordes de estas círculos, siendo la distancia preferencial el radio de la circunferencia, que se indica con una barra. Crédito de la imagen: Image: Sam Moorefield, Swinburne University.
El crecimiento de los cúmulos y los supercúmulos
El segundo método que WiggleZ ha explorado de forma independiente para caracterizar la energía oscura es medir el ritmo de crecimiento de los cúmulos y los supercúmulos de galaxias. En principio, ambos tipos de super estructuras se formarían por acción de la gravedad que sienten entre sí todas las galaxias que los integran. Sin embargo, como la energía oscura juega en contra de la gravedad, afectaría enormemente al ritmo de crecimiento de los cúmulos y supercúmulos, ralentizando su formación.
En realidad, la distancia que se determina a las galaxias por el análisis de los espectros, en el que se mide el desplazamiento Doppler de las líneas espectrales, no es únicamente consecuencia de la expansión del Universo, sino que también tiene una parte (pequeña) que viene del movimiento propio de la galaxia dentro del cúmulo o supercúmulo en el que se encuentre. Una vez establecida la verdadera distancia a un cúmulo, es posible diferenciar, para cada galaxia, ambas componentes. Con ello, se puede determinar el ritmo de crecimiento de los cúmulos y supercúmulo. Lo que el equipo de WiggleZ ha hecho en este caso es tomar 4 momentos en la evolución del Universo entre el momento actual hasta cuando el Universo tenía unos 6500 millones de años de edad. Y, de nuevo, los mejores modelos cosmológicos que reproducen las observaciones (recordamos: de cerca de 200 000 galaxias) son aquellos que tienen en cuenta la energía oscura en las proporciones antes indicadas.
Esta investigación está publicada en el siguiente artículo científico:
The WiggleZ Dark Energy Survey: the growth rate of cosmic structure since redshift z = 0.9. Chris Blake, Sarah Brough, Matthew Colless et al [25 authors]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, in press. Online en http://arxiv.org/abs/1104.2948.
En conclusión
El cartografiado WiggleZ, liderado completamente por astrofísicos australianos, y en el que se ha medido la distancia a más de 200 000 galaxias usando la cámara 2dF/AAOmega en el Telescopio Anglo-Australiano (AAT), ha podido demostrar de dos formas completamente independientes que la energía oscura realmente existe, y que los modelos cosmológicos actualmente aceptados sobre formación jerarquizada de galaxias con materia oscura fría y constante cosmológica son los que mejor reproducen las observaciones actuales.
Al César lo que es del César
Para finalizar, dejo una aclaración importante, y no es autobombo: el verdadero instrumento protagonista sin el que esta investigación no se hubiese podido realizar es 2dF/AAOmega en el telescopio AAT, puesto que son los espectros ópticos los que han permitido calcular la distancia a las galaxias. Las notas de prensa de GALEX y NASA, por supuesto, tiran para el otro lado (gracias a los datos proporcionados por el satélite GALEX de NASA bla bla bla.... Pero esta investigación podía haberse también sin necesidad de los datos en ultravioleta de GALEX. Y que quede constancia que GALEX es uno de mis satélites de NASA preferidos (uso continuamente sus datos). Como puntualiza el director del AAO en la nota de prensa de esta investigación, 2dF/AAOmega es uno de los mejores instrumentos del mundo para realizar estos cartografiados profundos de galaxias. Y más proyectos están en camino gracias a este instrumento. Pero eso ya lo cuento otro día.
Más información en las notas de prensa (en inglés) de:
- Australian Astronomical Observatory,
- Swinburne University
- Satélite GALEX (NASA),
- JPL/NASA
(*) Ojo con esto, quizás no es del todo cierto puesto que el brillo de una supernova parece depender del contenido químico de la estrella que explota, que obviamente es muy diferente entre una estrella de ahora y una estrella pobre en metales en el Universo temprano. Este asunto se está investigando seriamente en la actualidad por varios grupos especializados.
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