Un mapa en 3D para explorar la historia del Universo

Las observaciones fueron realizadas con el telescopio Sloan, en Nuevo México. Foto: SDSS

Un equipo internacional de científicos usó una nueva técnica para investigar la misteriosa energía oscura y estudiar cómo era el Universo hace más de 10.000 millones de años.

Utilizando la luz emitida por cuásares, un tipo de galaxias muy distantes y brillantes, los científicos elaboraron un mapa en 3D de nubes de hidrógeno en el espacio.

La distribución de esas nubes es a su vez un indicio de la influencia a través del tiempo de la energía oscura, como se denomina a la extraña fuerza que impulsa la aceleración en la expansión del Universo.

El estudio fue realizado por investigadores de la iniciativa internacional Sloan Digital Sky Survey III, Exploración Digital del Espacio Sloan o SDSS-III. Uno de los proyectos de la iniciativa, llamado BOSS, Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, fue el responsable del mapa.

La luz de los cuásares (puntos rojos) es absorbida parcialmente al pasar por nubes de hidrógeno. Imagen: SDSS/BOSS

Aceleración

Los científicos utilizaron observaciones registradas por el telescopio Sloan Foundation Telescope, situado en el estado de Nuevo México, en Estados Unidos.

Los nuevos datos confirman ideas anteriores de que la energía oscura no tuvo un rol dominante en la edad temprana del Universo.

En esa etapa, el poder de la gravedad causó una desaceleración de la expansión cósmica y sólo posteriormente comenzó a actuar la energía oscura.

"Sabemos muy poco sobre la energía oscura, pero una de nuestras ideas es que constituye una propiedad del espacio mismo. Por lo tanto, cuanto más espacio exista, habrá más energía", explicó el Dr. Mathew Pieri, profesor de la Universidad de Portsmouth en Inglaterra e integrante de BOSS.

"La energía oscura sería entonces algo que aumenta a lo largo del tiempo. A medida que el Universo se expande hay más espacio y por tanto más energía y en cierto punto esa energía oscura pasa a ser dominante respecto a la gravedad, poniendo fin a la desaceleración e impulsando una aceleración".

Jordi Miralda-Escudé, integrante del proyecto BOSS y profesor de astrofísica del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona, explicó a BBC Mundo la diferencia entre la energía oscura y la materia oscura.

"La materia oscura y la energía oscura son dos componentes misteriosas del universo que solamente detectamos por sus efectos gravitatorios, y cuya naturaleza desconocemos. La materia oscura ya se detectó desde hace muchas décadas, y es materia que está presente en las galaxias y cúmulos de galaxias. La detectamos porque produce la atracción gravitatoria habitual, pero no la podemos ver de ninguna otra forma. Las observaciones demuestran que la materia oscura es un 80% de toda la masa del universo, y solo el otro 20% de la materia está formada por los átomos que conocemos".

"La energía oscura se ha descubierto más recientemente, y no está concentrada en galaxias sino que debe estar esparcida por todo el universo. Solo detectamos su presencia a través de la expansión general de todo el universo. Lo que hemos descubierto es que la expansión del universo está actualmente acelerándose, en vez de verse desacelerada (o frenada) como sería de esperar debido a la fuerza atractiva de la graveda de toda la masa. Esa aceleración es lo que debe producir la energía oscura, pero no tenemos actualmente ninguna otra clave para entender qué puede ser esa energía oscura".

Misterio

• La gravedad actúa en vastas distancias pero no explica todo lo que ven los astrónomos

• Así como los planetas del

  sistema solar están en equilibro en órbita alrededor del Sol, mantenida en equilibrio por la gravedad necesaria, del mismo modo

  todos los cuerpos celestes también deberían cumplir ese mismo balance
  

• Pero a simple vista el movimiento de las galaxias no se explica con la cantidad de materia observable, por lo que se supone que las galaxias deben contener materia no visible

• Esa hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética para ser detectada con los medios actuales, pero cuaya existencia puede deducirse por los efectos gravitaciones en la materia visible, es lo que se denomina materia oscura, que no debe confundirse con la energía oscura

• La expansión del Universo se está acelerando y la energía oscura es la misteriosa fuerza que explicaría esa aceleración

• La teoría actual señala que el 73% del Universo estaría constituido por energía oscura, el 23% por materia oscura y sólo el 4% por la materia que conocemos

El descubrimiento de que todo en el Cosmos se está separando a un ritmo cada vez mayor fue uno de los grandes hallazgos del siglo XX. Pero los científicos continúan buscando explicar este fenómeno extraordinario.

Una de las técnicas utilizadas para intentar descifrar el misterio de la energía oscura es la de las llamadas oscilaciones acústicas de bariones.

Estas oscilaciones son ondas de presión o fluctuaciones en la densidad de la materia bariónica, causada por ondas acústicas durante los inicios del Universo. Los bariones son una familia de partículas subatómicas.

Las oscilaciones se perciben en la distribución de las galaxias, una observación que puede usarse para medir la geometría del cosmos.

Miralda-Escudé señaló que las oscilaciones acústicas de bariones "son ondas de sonido que viajaron a través de la materia del universo cuando ésta estaba esparcida por todo el espacio uniformemente, antes de que se formara ninguna galaxia. Esas ondas de sonido eran de frecuencias muy bajas: el oído humano solamente puede escuchar ondas por encima de unos 20 Herzios (20 oscilaciones por segundo), pero el sonido de esas ondas era de una oscilación cada medio millón de años".

"Las ondas de sonido han dejado un rastro en la distribución de materia actual a escalas enormes, que ahora podemos detectar cuando observamos galaxias y el gas intergaláctico. Nuestra detección es la primera que usa la absorción del gas intergaláctico como trazador de esas ondas, y que se remonta hasta una época del pasado cuando el universo tenía solo 3000 millones de años (actualmente tiene 14 mil millones de años de edad)."

Los investigadores del proyecto BOSS ya habían analizado esas oscilaciones para estudiar la distribución de galaxias a una distancia de seis mil millones de años luz. Pero a distancias mayores y por tanto más remotas en la historia del Universo las galaxias no son captadas claramente por el telescopio Sloan.

Es por ello que, para viajar aún más profundamente al pasado, los científicos usaron cuásares para hacer un mapa del cosmos.

Los cuásares son galaxias con un agujero negro masivo central que emiten grandes cantidades de radiación electromagnética, que el telescopio Sloan puede captar.

A medida que la luz de los cuásares viaja por el espacio hacia la Tierra pasa a través de nubes de hidrógeno. Y parte de la luz es absorbida según patrones que revelan variaciones en la densidad del gas.

Observando cerca de 50.000 cuásares cercanos, el equipo BOSS logró elaborar un mapa detallado en 3D de la distribución de nubes de hidrógeno hasta una distancia de 11 mil millones de años luz, apenas dos mil millones de años después del Big Bang.

Miralda-Escudé dijo a BBC Mundo que "los cuásares se observaron para ver la forma como el gas distribuído por el espacio entre las galaxias del universo absorbe la luz en su recorrido hacia nosotros. Esa absorción deja un rastro especial en lo que se denomina el espectro del cuásar, que nos permite saber cómo está distribuída la materia a lo largo de la línea de visual desde el cuásar hasta la Tierra".

"Usando la combinación de miles de líneas de visuales hacia todos los cuásares observados, podemos reconstruir un mapa tridimensional de un enorme volumen del universo, mucho mayor de lo que se había podido investigar hasta la actualidad".

"Montaña rusa"

Para Miralda-Escudé, participar en SDSS III, "es una experiencia fantástica, por el alto grado de colaboración entre todos los participantes, por los descubrimientos que se pueden realizar y por la excelente oportunidad que representa para muchos estudiantes que aprenden ciencia".

El mapa en 3D permite a los científicos verificar el ritmo de expansión en diferentes épocas cosmológicas, con el fin de determinar si la gravedad y la energía oscura actúan como predicen las teorías.

"Estamos confirmando básicamente algo análogo a una especie de montaña rusa", dijo el Dr. Pieri.

"Luego del Big Bang la expansión del Universo estaba desacelerándose, pero hace unos 7.000 millones de años pusimos el pie en el pedal de aceleración".

El proyecto BOSS ha cumplido hasta ahora solo un tercio de los trabajos planeados. La meta en los próximos años es elaborar un mapa detallando la ubicación de un millón y medio de galaxias y más de 160.000 cuásares.