El universo que vemos es solo la punta del vasto iceberg cósmico.

Los cientos de miles de millones de galaxias que contiene, cada uno de ellos alberga miles de millones de estrellas, planetas y lunas, así como nubes masivas de gas y polvo que forman estrellas y planetas, y toda la luz visible y otras energías que podemos detectar en forma de radiación electromagnética, como ondas de radio, rayos gamma y rayos X, en resumen, todo lo que hemos visto con nuestros telescopios, solo equivale aproximadamente al 5% de toda la masa y energía del universo.

Junto con esta materia llamada normal también hay materia oscura, que no se puede ver, pero se puede observar por su efecto gravitacional sobre normal, materia visible, y constituye otro 27% del universo. Súmalos juntos, y solo totalizan el 32% de la masa del universo, entonces, ¿dónde está el otro 68%?

Energía oscura.

Entonces, ¿qué es exactamente la energía oscura? En pocas palabras, es una fuerza misteriosa que empuja al universo hacia afuera y hace que se expanda más rápido a medida que envejece, comprometido en un tira y afloja cósmico con la materia oscura, que está tratando de unir el universo. Más allá de eso, todavía no entendemos qué es la energía oscura, pero los astrónomos de Penn State son el núcleo de un grupo que tiene como objetivo averiguarlo a través de un proyecto único y ambicioso que lleva 16 años en proceso:HETDEX, el Experimento de Energía Oscura del Telescopio Hobby-Eberly.

"HETDEX tiene el potencial de cambiar el juego, ", dijo el profesor asociado de astronomía y astrofísica Donghui Jeong.

Energía oscura y el universo en expansión

Hoy existe un consenso entre los astrónomos de que el universo que habitamos se está expandiendo, y que su expansión se acelera, pero la idea de un universo en expansión tiene menos de un siglo, y la noción de energía oscura (o cualquier otra cosa) que acelera esa expansión solo ha existido por poco más de 20 años.

En 1917, cuando Albert Einstein aplicó su teoría general de la relatividad para describir el universo como un todo, sentar las bases de la teoría del Big Bang, él y otros científicos destacados de la época concibieron el cosmos como estático y no expansivo. Pero para evitar que ese universo colapse bajo la fuerza atractiva de la gravedad, necesitaba introducir una fuerza repulsiva para contrarrestarla:la constante cosmológica.

No fue hasta 1929 cuando Edwin Hubble descubrió que el universo de hecho se está expandiendo, y que las galaxias más alejadas de la Tierra se alejan más rápido que las más cercanas, que finalmente se abandonó el modelo de un universo estático. Incluso Einstein se apresuró a modificar sus teorías, a principios de la década de 1930, publicando dos modelos nuevos y distintos del universo en expansión, ambos sin la constante cosmológica.

Pero aunque los astrónomos finalmente habían llegado a comprender que el universo se estaba expandiendo, y había abandonado más o menos el concepto de constante cosmológica, también supusieron que el universo estaba dominado por la materia y que la gravedad eventualmente haría que su expansión fuera más lenta; el universo continuaría expandiéndose para siempre, pero cada vez más lentamente, o en algún momento cesaría su expansión y luego colapsaría, terminando en un "gran crujido".

"Esa es la forma en que pensamos que funcionaba el universo, hasta 1998, "dijo el profesor de Astronomía y Astrofísica Robin Ciardullo, miembro fundador de HETDEX.

Ese año, dos equipos independientes, uno dirigido por Saul Perlmutter en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y el otro dirigido por Brian Schmidt de la Universidad Nacional de Australia y Adam Riess del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, publicaría casi simultáneamente resultados asombrosos que mostraban que la expansión del universo de hecho se estaba acelerando, impulsado por una misteriosa fuerza antigravedad. Mas adelante en ese año, el cosmólogo Michael Turner de la Universidad de Chicago y Fermilab acuñaron el término "energía oscura" para describir esta fuerza misteriosa.

El descubrimiento sería nombrado "Avance del año" de la revista Science en 1998, y en 2011 Perlmutter, Schmidt y Reiss recibirían el Premio Nobel de Física.

Teorías en competencia

Más de 20 años después del descubrimiento de la energía oscura, los astrónomos aún no saben qué, exactamente, está.

"Siempre que los astrónomos digan 'oscuro, "eso significa que no tenemos ni idea al respecto, "Dijo Jeong con una sonrisa irónica." La energía oscura es solo otra forma de decir que no sabemos qué está causando esta expansión acelerada ".

Existen, sin embargo, una serie de teorías que intentan explicar la energía oscura, y algunos contendientes importantes.

Quizás la explicación más favorecida es la constante cosmológica previamente abandonada, que los físicos modernos describen como energía del vacío. "El vacío en física no es un estado de nada, "Es un lugar donde las partículas y antipartículas se crean y destruyen continuamente", explicó Jeong. La energía producida en este ciclo perpetuo podría ejercer una fuerza de empuje hacia afuera en el espacio mismo. provocando su expansión, iniciado en el big bang, acelerar.

Desafortunadamente, los cálculos teóricos de la energía del vacío no coinciden con las observaciones, en un factor de hasta 10 ¹²⁰ , o uno seguido de 120 ceros. "Eso es muy, muy inusual, "Jeong dijo, "pero ahí es donde estaremos si la energía oscura resulta ser constante". Claramente, esta discrepancia es un problema importante, y podría necesitar una reelaboración de la teoría actual, pero la constante cosmológica en forma de energía del vacío es, sin embargo, el candidato principal hasta ahora.

Como resultado de su diseño, HETDEX está recopilando una gran cantidad de datos, extendiéndose mucho más allá de sus objetivos previstos y proporcionando información adicional sobre cosas como la materia oscura y los agujeros negros, la formación y evolución de estrellas y galaxias, y la física de partículas cósmicas de alta energía como los neutrinos.

Otra posible explicación es una nueva, partícula o campo aún por descubrir que impregnaría todo el espacio; pero hasta ahora, no hay evidencia que respalde esto.

Una tercera posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein sea incorrecta. "Si parte de la ecuación incorrecta, "Jeong dijo, "entonces obtienes la respuesta incorrecta". Hay alternativas a la relatividad general, pero cada uno tiene sus propios problemas y ninguno lo ha desplazado todavía como teoría reinante. Por ahora, sigue siendo la mejor descripción de la gravedad que tenemos.

Por último, lo que se necesita son más y mejores datos de observación, precisamente lo que HETDEX fue diseñado para recopilar como ninguna otra encuesta lo ha hecho antes.

Un mapa de estrellas y sonido.

"HETDEX es muy ambicioso, ", Dijo Ciardullo." Va a observar un millón de galaxias para trazar un mapa de la estructura del universo que se remonta a dos tercios del camino hacia el comienzo del tiempo. Somos los únicos que salimos tan lejos para ver el componente de energía oscura del universo y cómo está evolucionando ".

Ciardullo, un astrónomo observacional que estudia todo, desde estrellas cercanas hasta galaxias lejanas y materia oscura, es el administrador de observaciones de HETDEX. Se da cuenta rápidamente aunque, que tiene ayuda en ese papel (de Jeong y otros) y que él y todos los demás en el proyecto usan más de un sombrero. "Este es un proyecto muy grande, ", dijo." Son más de $ 40 millones. Pero si cuentas cabezas no es mucha gente. Así que todos hacemos más de una cosa ".

Jeong, astrofísico teórico y cosmólogo que también estudia ondas gravitacionales, fue fundamental para sentar las bases del estudio y está muy involucrado en el análisis de datos del proyecto, y también está ayudando a Ciardullo a determinar dónde apuntar el telescopio Hobby-Eberly de 10 metros. el tercero más grande del mundo. "Es algo interesante, "señaló con una sonrisa, "un teórico que dice a los observadores dónde buscar".

Mientras que otros estudios miden la expansión del universo utilizando supernovas distantes o un fenómeno conocido como lente gravitacional, donde la luz es desviada por la gravedad de objetos masivos como galaxias y agujeros negros, HETDEX se centra en las ondas sonoras del Big Bang, llamadas oscilaciones acústicas bariónicas. Aunque en realidad no podemos escuchar sonidos en el vacío del espacio, los astrónomos pueden ver el efecto de estas ondas sonoras primordiales en la distribución de la materia por todo el universo.

Durante los primeros 400, 000 años después del Big Bang, el universo existía tan denso, plasma caliente:una sopa de partículas de materia y energía. Pequeñas perturbaciones llamadas fluctuaciones cuánticas en ese plasma desencadenan ondas sonoras, como las ondas de un guijarro arrojado a un estanque, lo que ayudó a que la materia comenzara a agruparse y formar la estructura inicial del universo. El resultado de esta aglomeración es evidente en el fondo cósmico de microondas (también llamado "resplandor" del Big Bang), que es la primera luz, y la espalda más lejana, que podemos ver en el universo. Y también está impreso en la distribución de las galaxias a lo largo de la historia del universo, como las ondas en nuestro estanque, congelado en el espacio.

"La física de las ondas sonoras es bastante conocida, "Ciardullo dijo." Ya ves lo lejos que han ido estas cosas, sabes lo rápido que han viajado las ondas sonoras, para que conozcas la distancia. Tienes una regla estándar en el universo, a lo largo de la historia cósmica ".

A medida que el universo se ha expandido, también lo ha hecho el gobernante, y esas variaciones en la regla mostrarán cómo la tasa de expansión del universo, impulsado por la energía oscura, ha cambiado con el tiempo.

"Básicamente, "Jeong dijo, "Hacemos un mapa tridimensional de galaxias y luego lo medimos".

Nuevo espacio de descubrimiento

Para hacer su mapa de un millón de galaxias, el equipo de HETDEX necesitaba un nuevo y poderoso instrumento.

Un conjunto de más de 150 espectrógrafos llamados VIRUS (espectrógrafos de unidades replicables de campo integral visible), montado en el telescopio Hobby-Eberly, reúne la luz de esas galaxias en una matriz de unas 35, 000 fibras ópticas y luego lo divide en sus longitudes de onda componentes en un continuo ordenado conocido como espectro.

Los espectros de las galaxias revelan, entre otras cosas, la velocidad a la que se alejan de nosotros, una medida conocida como "desplazamiento al rojo". Debido al efecto Doppler, la longitud de onda de un objeto que se aleja de su observador se estira (piense en una sirena que baja de tono a medida que se aleja), y un objeto que se mueve hacia su observador tiene su longitud de onda comprimida, como esa misma sirena que aumenta de tono a medida que se acerca. En el caso de galaxias en retroceso, su luz se estira y, por lo tanto, se desplaza hacia el extremo rojo del espectro.

La medición de este desplazamiento al rojo permite al equipo de HETDEX calcular la distancia a esas galaxias y producir un mapa tridimensional preciso de sus posiciones.

Entre las galaxias que HETDEX está observando se encuentran las conocidas como galaxias Lyman-alfa:galaxias jóvenes formadoras de estrellas que emiten fuertes líneas espectrales en longitudes de onda ultravioleta específicas.

"Estamos usando galaxias emisoras de Lyman-alfa como una 'partícula trazadora, '", explicó la profesora investigadora de astronomía y astrofísica Caryl Gronwall, quien también es miembro fundador de HETDEX. "Son fáciles de encontrar porque tienen una línea de emisión muy fuerte, que es fácil de encontrar espectroscópicamente con el instrumento VIRUS. Así que tenemos este método que selecciona de manera eficiente las galaxias con un corrimiento al rojo bastante alto, y luego podemos medir dónde están, medir sus propiedades ".

Gronwall, quien junto con Ciardullo ha estado estudiando las galaxias Lyman-alfa durante casi 20 años, lidera los esfuerzos de HETDEX en esta área, mientras que el profesor asociado de astronomía y astrofísica Derek Fox presta su experiencia para calibrar el instrumento VIRUS, utilizando observaciones incidentales de estrellas con propiedades conocidas para ajustar sus espectros.

"Cada foto que tomamos con HETDEX, observamos algunas estrellas en las fibras, "Explicó Fox." Esa es una oportunidad, porque las estrellas te dicen qué tan sensible es tu experimento. Si conoce el brillo de las estrellas y ve los datos que recopila sobre ellas, ofrece la oportunidad de mantener su calibración en el punto ".

Una de las mayores fortalezas de HETDEX es que fue diseñado como una encuesta a ciegas, observando amplias franjas de cielo en lugar de específicas, objetos predeterminados. "Nadie ha intentado realizar una encuesta como esta antes, "Ciardullo dijo." Siempre es "Encuentra tus objetos, luego haz la espectroscopia. "Somos los primeros en intentar hacer un montón de espectroscopia y luego descubrir lo que vimos".

Como resultado de este diseño, HETDEX está recopilando una gran cantidad de datos, extendiéndose mucho más allá de sus objetivos previstos y proporcionando información adicional sobre cosas como la materia oscura y los agujeros negros, la formación y evolución de estrellas y galaxias, y la física de partículas cósmicas de alta energía como los neutrinos.

"Eso es muy diferente y muy interesante, ", Dijo Jeong." Tenemos un enorme espacio de descubrimiento ".

Ciardullo agregado, "Una cosa que puedes inferir:si primero tienes que ver un objeto antes de apuntar tu espectroscopio allí, bueno eso está bien, pero requiere que el objeto se pueda ver. HETDEX puede observar espectros de cosas que usted no puede ver ".

Esto significa que, además de los datos conocidos que está recopilando, HETDEX está abriendo una ventana a hallazgos inesperados, descubrimientos aún imprevistos. "Seremos pioneros en más experimentos, "Ciardullo dijo, y ese sentimiento es compartido por otros miembros del equipo, incluyendo Fox.

"Definitivamente vamos a estar abriendo caminos por ahí, ", dijo." Hay grandes gran potencial para descubrimientos realmente emocionantes ".

Volver a las raices, y más allá

La ciencia futurista de HETDEX es, en un extraño giro, muy en línea con las ideas que impulsaron el desarrollo del Telescopio Hobby-Eberly (HET) hace casi 40 años.

"HET se concibió inicialmente como el telescopio de estudio espectroscópico de Penn State, "explicó el profesor emérito de astronomía y astrofísica Larry Ramsey, quien inventó el telescopio en 1983 con el entonces colega de Penn State, Dan Weedman, y luego se desempeñó como presidente de la junta directiva de HET. "La misión original era realizar estudios espectroscópicos, y en los casi 20 años transcurridos entre la primera dedicación del telescopio y el inicio de HETDEX, el telescopio realmente no estaba haciendo estudios. Entonces, en un sentido muy real, HETDEX está llevando el HET a sus raíces, y se ha convertido en un proyecto realmente interesante ".

"La escala de esta encuesta es muy futurista, incluso ahora, "Dijo Jeong. Recordando una reciente conferencia de cosmología, relató una discusión sobre el futuro de los estudios galácticos. "Me senté allí y escuché, y era básicamente lo que estábamos haciendo ", dijo." HETDEX es una encuesta futura que existe ahora ".

Además de lo que HETDEX descubre sobre la energía oscura, los datos que está recopilando también servirán de material para futuros estudios que van más allá del alcance de su propia misión. Y las posibilidades son HETDEX continuará haciendo ciencia "rompedora del espacio" en la distancia, universo de alto corrimiento al rojo durante bastantes años.

"Incluso las encuestas futuras actualmente planificadas no van más allá de HETDEX, "Dijo Jeong." Creo que todavía estaremos a la vanguardia, incluso dentro de 10 años ".