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    Energía oscura:un nuevo experimento puede resolver uno de los mayores misterios del universo

    Los rastros de estrellas toman forma alrededor de la cúpula de la historia Mayall Telescop en Arizona. Crédito:P. Marenfeld y NOAO / AURA / NSF

    Como astrónomo, no hay mejor sensación que lograr la "primera luz" con un nuevo instrumento o telescopio. Es la culminación de años de preparación y construcción de nuevo hardware, que por primera vez recoge partículas de luz de un objeto astronómico. A esto generalmente le sigue un suspiro de alivio y luego la emoción de toda la nueva ciencia que ahora es posible.

    El 22 de octubre el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) en el Telescopio Mayall en Arizona, NOSOTROS, logró la primera luz. Este es un gran salto en nuestra capacidad para medir distancias de galaxias, lo que permite una nueva era de mapeo de estructuras en el universo. Como su nombre lo indica, también puede ser clave para resolver una de las preguntas más importantes de la física:¿cuál es la fuerza misteriosa denominada "energía oscura" que constituye el 70 por ciento del universo?

    El cosmos está lleno de grumos. Las galaxias viven juntas en grupos de unas pocas a decenas de galaxias. También hay cúmulos de unos pocos cientos a miles de galaxias y supercúmulos que contienen muchos de esos cúmulos.

    Esta jerarquía del universo se ha conocido desde los primeros mapas del universo, que parecía un "stickman" en los gráficos del pionero Centro de Astrofísica (CfA) Redshift Survey. Estas impactantes imágenes fueron el primer vistazo de estructuras a gran escala en el universo, algunos abarcan cientos de millones de años luz de diámetro.

    La encuesta CfA se construyó laboriosamente una galaxia a la vez. Esto implicó medir el espectro de la luz de la galaxia:una división de la luz por longitud de onda, o color, e identificar las huellas dactilares de ciertos elementos químicos (principalmente hidrógeno, nitrógeno y oxígeno).

    Estas firmas químicas se desplazan sistemáticamente a longitudes de onda más largas y rojas debido a la expansión del universo. Este "desplazamiento hacia el rojo" fue detectado por primera vez por el astrónomo Vesto Slipher y dio lugar a la ahora famosa Ley de Hubble:la observación de que las galaxias más distantes parecen alejarse a un ritmo más rápido. Esto significa que, en comparación, las galaxias cercanas parecen alejarse relativamente lentamente; están menos desplazadas al rojo que las galaxias lejanas. Por lo tanto, medir el corrimiento al rojo de una galaxia es una forma de medir su distancia.

    Mapa SDSS. Cada punto es una galaxia. Crédito:M. Blanton y SDSS, CC BY-SA

    Crucialmente, la relación exacta entre el corrimiento al rojo y la distancia depende de la historia de expansión del Universo, que puede calcularse teóricamente utilizando nuestra teoría de la gravedad y nuestras suposiciones sobre la densidad de materia y energía del universo.

    Todas estas suposiciones fueron finalmente probadas a principios de siglo con la combinación de nuevas observaciones del universo, incluyendo nuevos mapas en 3-D de estudios de corrimiento al rojo más grandes. En particular, Sloan Digital Sky Survey (SDSS) fue el primer telescopio de estudio de desplazamiento al rojo dedicado para medir más de un millón de desplazamientos al rojo de galaxias, mapear la estructura a gran escala en el universo con un detalle sin precedentes.

    Los mapas de SDSS incluían cientos de supercúmulos y filamentos y ayudaron a hacer un descubrimiento inesperado:la energía oscura. Demostraron que la densidad de materia del universo era mucho menor de lo esperado por el Fondo de microondas cósmico, que es la luz que quedó del Big Bang. Eso significaba que debe haber una sustancia desconocida, apodada energía oscura, impulsando una expansión acelerada del Universo y se vuelve cada vez más desprovisto de materia.

    El rompecabezas

    La combinación de todas estas observaciones presagió una nueva era de comprensión cosmológica con un universo que consta de un 30 por ciento de materia y un 70 por ciento de energía oscura. Pero a pesar de que la mayoría de los físicos ahora han aceptado que existe la energía oscura, todavía no conocemos su forma exacta.

    Sin embargo, existen varias posibilidades. Muchos investigadores creen que la energía del vacío simplemente tiene un valor particular, apodada una "constante cosmológica". Otras opciones incluyen la posibilidad de que la exitosa teoría de la gravedad de Einstein sea incompleta cuando se aplica a la enorme escala de todo el universo.

    Un equipo de un proveedor en Santa Rosa California posa detrás de una lente DESI. Crédito:Soluciones VIAVI

    Nuevos instrumentos como DESI ayudarán a dar el siguiente paso para resolver el misterio. Medirá decenas de millones de desplazamientos al rojo de galaxias, abarcando un gran volumen del universo hasta diez mil millones de años luz de la Tierra. Tan asombroso El mapa detallado debería poder responder algunas preguntas clave sobre la energía oscura y la creación de estructuras a gran escala en el universo.

    Por ejemplo, debería poder decirnos si la energía oscura es solo una constante cosmológica. Para hacer esto, medirá la relación entre la presión que la energía oscura ejerce sobre el universo y la energía por unidad de volumen. Si la energía oscura es una constante cosmológica, esta relación debe ser constante tanto en el tiempo cósmico como en la ubicación. Para otras explicaciones, sin embargo, esta relación variaría. Cualquier indicio de que no es una constante sería revolucionario y provocaría un intenso trabajo teórico.

    DESI también debería poder restringir, e incluso matar, muchas teorías de la gravedad modificada, posiblemente proporcionando una confirmación enfática de la teoría de la relatividad general de Einstein en las escalas más grandes. O al contrario, y de nuevo eso provocaría una revolución en la física teórica.

    Otra teoría importante que se probará con DESI es la inflación, que predice que pequeñas fluctuaciones cuánticas aleatorias de la densidad de energía en el universo primordial se expandieron exponencialmente durante un corto período de crecimiento intenso para convertirse en las semillas de las estructuras a gran escala que vemos hoy.

    DESI es solo una de varias misiones y experimentos de energía oscura de próxima generación que se realizarán en la próxima década, así que ciertamente hay razones para ser optimistas de que pronto podremos resolver el misterio de la energía oscura. Nuevas misiones de satélites como Euclid, y observatorios terrestres masivos como el Gran Telescopio de Encuesta Sinóptica, también ofrecerá información.

    También habrá otros instrumentos de desplazamiento al rojo como DESI, incluido 4MOST en el Observatorio Europeo Austral. Juntos, estos proporcionarán cientos de millones de corrimientos al rojo en todo el cielo que conducirán a un mapa inimaginable de nuestro cosmos.

    Parece que fue hace mucho tiempo cuando escribí mi doctorado. tesis basada en solo 700 desplazamientos al rojo de galaxias. Realmente demuestra que es un momento emocionante para ser astrónomo.

    Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.




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