El sondeo más extenso que está planificado para el telescopio espacial Nancy Grace Roman, el próximo observatorio de la NASA, revelará cientos de millones de galaxias dispersas por todo el cosmos. Después del lanzamiento de Roman, el cual podría ocurrir tan pronto como en el próximo otoño boreal, los científicos utilizarán estos brillantes faros para estudiar los sombríos fundamentos del universo: la materia oscura y la energía oscura.
“Nos propusimos desarrollar el mejor sondeo de área amplia, y creo que lo logramos”, dijo Ryan Hickox, profesor del Dartmouth College en Hanover, New Hampshire, y copresidente del comité que dio forma al diseño del estudio. “Utilizaremos las enormes y profundas imágenes en 3D de Roman para explorar la naturaleza fundamental del universo, incluyendo su lado oscuro”.
El Sondeo de Área Amplia en las Latitudes Altas de Roman es uno de los tres programas de observación principales de esta misión. Cubrirá más de 5.000 grados cuadrados (alrededor del 12 por ciento del cielo) en poco menos de un año y medio. Roman mirará más allá del plano lleno de polvo de nuestra galaxia, la Vía Láctea (a eso se refiere “latitudes altas” en el nombre del sondeo), observando hacia arriba y hacia afuera de la galaxia en lugar de a través de ella para obtener la vista más clara posible del cosmos lejano.
“Este estudio hará una cartografía espectacular del cosmos y será la primera vez que tengamos imágenes con la calidad de Hubble en una gran extensión del cielo”, dijo David Weinberg, profesor de astronomía en la Universidad Estatal de Ohio en Columbus, quien desempeñó un papel importante en el diseño de este sondeo. “Incluso, para apuntar a un solo objetivo con Roman, se necesitaría una pared completa de televisores 4K para mostrarlo en resolución completa. Para mostrar a la vez todo el sondeo en las latitudes altas se necesitaría medio millón de televisores 4K, un número suficiente como para cubrir 200 campos de fútbol americano o la pared del acantilado de El Capitán [una montaña de California]”.
Este sondeo combinará los poderes de la generación de imágenes y la espectroscopia para revelar una mina de oro de galaxias esparcidas a lo largo del tiempo cósmico. Los astrónomos utilizarán los datos de este estudio para explorar la materia oscura invisible, detectable solo mediante sus efectos gravitacionales sobre otros objetos, y la naturaleza de la energía oscura, una presión que parece estar acelerando la expansión del universo.
“La aceleración cósmica es el mayor misterio de la cosmología y tal vez de toda la física”, dijo Weinberg. “De alguna manera, cuando llegamos a escalas de miles de millones de años luz, la gravedad empuja en lugar de atraer. Este sondeo de un área extensa que llevará a cabo Roman proporcionará nuevas pistas que serán cruciales para ayudarnos a resolver este misterio, porque nos permitirá medir la historia de la estructura cósmica y la tasa de expansión en la antigüedad con mucha más precisión de lo que podemos hacerlo hoy en día”.
El peso de las sombras
Cualquier cosa que tenga masa deforma el espacio-tiempo, el tejido subyacente del universo. Los objetos extremadamente masivos, como los cúmulos de galaxias, deforman tanto el espacio-tiempo que distorsionan la apariencia de los objetos que están en el fondo, el cual es un fenómeno llamado lente gravitacional.
“Es como mirar a través de un espejo cósmico en un salón de espejos de un parque de atracciones”, dijo Hickox. “Esto puede volver borrosas o duplicar galaxias lejanas o, si la alineación es correcta, puede ampliarlas como un telescopio natural”.
La visión de Roman será lo suficientemente amplia y nítida como para estudiar este efecto de lente a pequeña escala y ver cómo los cúmulos de materia oscura deforman la apariencia de las galaxias lejanas. Los astrónomos crearán un mapa detallado de la distribución de la materia —tanto la visible como la invisible— a gran escala en todo el universo, y llenarán algunas lagunas en nuestra comprensión de la materia oscura. Estudiar cómo crecen las estructuras a lo largo del tiempo también ayudará a los astrónomos a explorar la fuerza de la energía oscura en las diversas etapas cósmicas.
“Los estándares para el análisis de datos que son necesarios para medir las lentes gravitacionales débiles son tales que la comunidad astronómica en su conjunto se beneficiará de contar con datos de muy alta calidad provenientes de toda el área de estudio, lo que sin duda conducirá a descubrimientos inesperados”, dijo Olivier Doré, científico investigador principal del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por sus siglas en inglés) de la NASA en el sur de California, quien lidera un equipo centrado en la cosmología de imágenes de Roman con el Sondeo de Área Amplia en las Latitudes Altas. “¡Este sondeo logrará mucho más que solo revelar la energía oscura!”.
Si bien los telescopios espaciales Hubble y James Webb de la NASA también estudian las lentes gravitacionales, el avance con Roman consiste en su gran campo de visión.
“Un efecto de lente débil distorsiona la forma de las galaxias de manera demasiado sutil para poder observarlo en una sola galaxia; este efecto es invisible hasta que se hace un análisis estadístico”, dijo Hickox. “Roman observará más de mil millones de galaxias en este estudio, y estimamos que alrededor de 600 millones de ellas tendrán suficientes detalles como para que Roman pueda estudiar estos efectos. De manera que Roman rastreará el crecimiento de las estructuras en el universo en 3D desde poco después del Big Bang hasta hoy, cartografiando la materia oscura con mayor precisión que nunca antes”.
Sondear la energía oscura
El sondeo de área amplia de Roman también recopilará los espectros de alrededor de 20 millones de galaxias. El análisis de los espectros ayuda a mostrar cómo se expandió el universo durante diferentes eras cósmicas, porque cuando un objeto se aleja, todas las ondas de luz que recibimos de él se estiran y se desplazan hacia longitudes de onda más rojas: este es un fenómeno conocido como desplazamiento al rojo.
Al determinar qué tan rápido se alejan de nosotros las galaxias, arrastradas por la implacable expansión del espacio, los astrónomos pueden descubrir a qué distancia están: cuanto más se desplaza hacia el rojo el espectro de una galaxia, más lejos se encuentra. Los astrónomos utilizarán este fenómeno para crear un mapa en 3D de todas las galaxias medidas dentro del área de estudio hasta unos 11.500 millones de años luz de distancia.
Eso revelará los ecos congelados de antiguas ondas sonoras que alguna vez se propagaron a través del mar cósmico primordial. Durante la mayor parte del primer medio millón de años del universo, el cosmos fue un mar denso y casi uniforme de plasma (partículas con carga eléctrica).
Cúmulos singulares y diminutos atrajeron gravitacionalmente más materia hacia sí. Pero había demasiado calor para que el material se aglutinara, por lo que este rebotó. Ese tira y afloja creó ondas de presión (de sonido) que se propagaron a través del plasma.
Con el tiempo, el universo se enfrió y las ondas cesaron, esencialmente congelando estas ondas (llamadas oscilaciones acústicas bariónicas) en su lugar. Dado que las ondas eran lugares donde se acumulaba más materia, a lo largo de ellas se formaron un poco más de galaxias que en otros lugares. A medida que el universo se fue expandiendo durante miles de millones de años, también lo hicieron estas estructuras.
Estos anillos actúan como una regla para el universo. Hoy en día, tienen unos 500 millones de años luz de ancho. Roman medirá con precisión su tamaño a través del tiempo cósmico, revelando cómo pudo haber evolucionado la energía oscura.
Los resultados recientes obtenidos por otros telescopios sugieren que la energía oscura podría estar cambiando de intensidad a lo largo del tiempo cósmico. “Roman podrá llevar a cabo pruebas de alta precisión que deberían indicarnos si estos indicios son desviaciones reales de nuestro modelo estándar actual o no”, dijo Risa Wechsler, directora del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología (KIPAC, por su acrónimo en inglés) de la Universidad de Stanford en California y copresidenta del comité que dio forma al diseño del sondeo. “El sondeo de imágenes de Roman en combinación con su sondeo del desplazamiento al rojo nos ofrece nueva información sobre la evolución del universo —tanto sobre su expansión como sobre el crecimiento de las estructuras a lo largo del tiempo— lo que nos ayudará a comprender qué están haciendo la energía oscura y la gravedad con una precisión sin precedentes”.
En conjunto, Roman nos ayudará a comprender los efectos de la energía oscura con una precisión 10 veces mayor que las mediciones actuales, ayudando a discernir entre las principales teorías que intentan explicar por qué la expansión del universo se está acelerando.
Debido a la forma en que Roman estudiará el universo, todo quedará expuesto, desde pequeños objetos rocosos en nuestro sistema solar exterior y estrellas individuales en galaxias cercanas hasta fusiones de galaxias y agujeros negros en la frontera cósmica hace más de 13.000 millones de años.
“La misión Roman es apasionante porque cubre un área muy amplia con una calidad de imágenes como solo es posible en el espacio”, dijo Wechsler. “Esto permite una amplia gama de investigaciones científicas, desde estudios que podemos anticipar hasta descubrimientos en los que aún no hemos pensado”.
El telescopio espacial Nancy Grace Roman es administrado desde el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en el sur de California; Caltech/IPAC en Pasadena, California; el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore y un equipo integrado por científicos de diversas instituciones de investigación. Los principales socios industriales son BAE Systems Inc. en Boulder, Colorado; L3Harris Technologies en Rochester, Nueva York, y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California.
Por Ashley Balzer
Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland
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