'First Light' lograda en un experimento que podría descifrar el misterio de la energía oscura


Como astrónomo, no hay mejor sensación que lograr la "primera luz" con un nuevo instrumento o telescopio. Es la culminación de años de preparativos y construcción de nuevo hardware, que por primera vez recoge partículas de luz de un objeto astronómico.

Esto generalmente es seguido por 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) sobre el Telescopio Mayall en Arizona, EE. UU., alcanzó 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 las 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 llamada "energía oscura"eso constituye el 70 por ciento del universo?

El cosmos es grumoso. Las galaxias viven juntas en grupos de unas pocas a decenas de galaxias. También hay grupos de unos cientos a miles de galaxias y supercúmulos que contienen muchos de estos grupos.

Esta jerarquía del Universo se conoce desde los primeros mapas del Universo, que parecía un "hombre palo"

en gráficos del Centro pionero de Astrofísica (CfA) Encuesta Redshift.

Estas sorprendentes imágenes fueron el primer vistazo de estructuras a gran escala en el Universo, algunas de ellas abarcaban cientos de millones de años luz de diámetro.

La encuesta CfA fue laboriosamente construida una galaxia a la vez. Esto implicaba 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.

expediente 20191027 113972 1hmy009Mapa SDSS: cada punto es una galaxia. (M. Blanton / SDSS / CC BY-SA)

Este "cambio 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 estar alejándose a un ritmo más rápido.

Esto significa que las galaxias cercanas parecen estar alejándose relativamente lentamente en comparación, son menos desplazadas hacia el rojo que las galaxias lejanas. Por lo tanto, medir el desplazamiento al rojo de una galaxia es una forma de medir su distancia.

De manera crucial, la relación exacta entre desplazamiento al rojo y distancia depende de la historia de expansión del Universo, que puede calcularse teóricamente utilizando nuestra teoría de la gravedad y nuestras suposiciones de la materia y la densidad de energía del Universo.

Todas estas suposiciones fueron probadas en el cambio de siglo con la combinación de nuevas observaciones del Universo, incluidos nuevos mapas en 3D de encuestas de desplazamiento al rojo más grandes.

En particular, el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) fue el primer telescopio de exploración dedicado al desplazamiento hacia el rojo que midió más de un millón de desplazamientos al rojo de galaxias, mapeando la estructura a gran escala en el Universo con detalles sin precedentes.

Los mapas SDSS incluyeron cientos de supercúmulos y filamentos y ayudaron a hacer un descubrimiento inesperado: la energía oscura. Mostraron que la densidad de materia del Universo era mucho menor de lo esperado por el Fondo cósmico de microondas, que es la luz que queda del Big Bang.

Eso significaba que debía haber una sustancia desconocida, denominada energía oscura, que impulsaba una expansión acelerada del Universo y se volvía cada vez más desprovista de materia.

El rompecabezas

La combinación de todas estas observaciones anunció una nueva era de comprensión cosmológica con un Universo que consiste en 30 por ciento de materia y 70 por ciento de energía oscura.

Pero a pesar del hecho de que la mayoría de los físicos ahora han aceptado que existe algo así como la energía oscura, nosotros todavía no sé su forma exacta.

Sin embargo, hay varias posibilidades. Muchos investigadores creen que la energía del vacío simplemente tiene un valor particular, denominado "constante cosmológica".

Otras opciones incluyen la posibilidad de que Einstein tenga un gran éxito la teoría de la gravedad está incompleta cuando se aplica en la gran escala de todo el universo.

Nuevos instrumentos como DESI ayudarán a dar el siguiente paso para resolver el misterio. Medirá decenas de millones de desplazamientos al rojo de galaxias, que abarcan un gran volumen del Universo hasta diez mil millones de años luz de la Tierra.

Un mapa tan sorprendente y 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 de presión que la energía oscura ejerce sobre el Universo con respecto a la energía por unidad de volumen.

Si la energía oscura es una constante cosmológica, esta relación debería ser constante tanto en el tiempo cósmico como en la ubicación. Para otras explicaciones, sin embargo, esta relación variaría. Cualquier indicación de que no es una constante sería revolucionaria y provocaría un intenso trabajo teórico.

DESI también debería ser capaz de restringir, e incluso matar, muchas teorías de la gravedad modificada, posiblemente proporcionando una confirmación enfática de la Teoría de Einstein de Relatividad general en las escalas más grandes.

O lo 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 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 las varias misiones y experimentos de energía oscura de la próxima generación que vendrán en la próxima década, por lo que ciertamente hay razones para ser optimistas de que pronto podríamos resolver el misterio de la energía oscura.

Nuevas misiones satelitales como Euclidesy observatorios masivos en tierra como el Gran telescopio de estudio sinóptico, también ofrecerá ideas.

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

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

Bob Nichol, Profesor de Astrofísica y Pro Vicerrector (Investigación e Innovación), Universidad de Portsmouth.

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.

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