Estudiando la materia oscura, la sustancia más misteriosa del universo

Quizás la pregunta más importante en astronomía en este momento sea una que parezca simple: ¿De qué está hecho el universo? Sabemos acerca de los protones, neutrones y electrones, y sabemos que estas partículas se combinan para crear el universo que observamos: estrellas, planetas, cometas y agujeros negros.

Pero todo esto es sólo una pequeña fracción de lo que existe. La materia ordinaria, lo que los astrónomos llaman materia bariónica, es minoría cuando se analiza nuestro universo en su conjunto. De hecho, el universo está dominado por la materia y la energía oscuras, dos cosas misteriosas que nunca hemos detectado directamente.

Para investigar este extraño enigma, la Agencia Espacial Europea (ESA) está construyendo el espacio Euclides. telescopio, un proyecto de vanguardia para investigar tanto la materia oscura como la energía oscura que se lanzará en 2022.

Para obtener más información sobre cómo se construye una herramienta para buscar algo invisible, hablamos con René Laureijs, científico del proyecto Euclid.

Ver sólo los efectos

Tanto la materia oscura como la energía oscura son construcciones teóricas, en el sentido de que tenemos buenas razones para creer que existen, aunque ninguna de ellas haya sido detectada directamente. Más bien, sabemos que deben estar ahí porque vemos sus efectos en el universo.

"La materia oscura es algo de lo que sólo se ven los efectos", explicó Laureijs. “Entonces ves algo que se mueve o cosas que se atraen entre sí y no sabes qué lo está causando. También vemos en astronomía que las cosas se atraen o se mueven, y al observar lo que sucede a nuestro alrededor, no podemos explicar estos movimientos por la presencia de materia ordinaria”.

Esta atracción sólo es realmente perceptible a escalas muy grandes, observando objetos del tamaño de galaxias. Al principio, los astrónomos pensaron que tal vez había algo mal en su descripción de la gravedad y que por eso se veía diferente en escalas astronómicas. Pero ahora están en gran medida convencidos de que es una partícula la que causa estos efectos, aunque detectar la partícula en sí es un desafío constante. “Nunca lo hemos visto, pero vemos evidencia indirecta de algo que se comporta como materia pero no se puede ver. Y eso es lo que llamamos materia oscura”, dijo Laureijs.

Y luego está la energía oscura. Es similar a la materia oscura en que es una construcción utilizada para explicar observaciones inesperadas sobre el universo. Pero es muy diferente en el sentido de que los astrónomos creen que puede ser una forma de energía, más que una partícula. Se utiliza para explicar la expansión del universo. Sabemos que el universo se está expandiendo, pero las observaciones realizadas en la década de 1990 con nuevas herramientas como el Telescopio Espacial Hubble sorprendieron a los astrónomos al mostrar que el ritmo de expansión se estaba acelerando.

"Es un efecto muy sutil, pero al medir con precisión las distancias a galaxias distantes, la gente ha podido Descubrí hace 20 años que el universo no sólo se está expandiendo, sino que se está expandiendo de forma acelerada”. Laureijs explicado. “Eso significa que hay una energía extra que empuja a las galaxias hacia afuera, y resulta que esta aceleración comenzó a mitad de la edad del universo, hace unos 6 mil millones de años. Realmente es un enigma saber por qué sucedió eso. Entonces hay una fuerza extra que actúa contra la gravedad, empujando a todas las galaxias hacia afuera de manera acelerada, y eso es lo que llamamos energía oscura”.

Lo realmente destacable de la materia y la energía oscuras es su prevalencia. Al considerar el componente energético total del universo, estimaciones actuales muestran que alrededor del 68% del universo es energía oscura, mientras que el 27% es materia oscura. Toda la materia normal que vemos a nuestro alrededor (cada estrella, cada planeta, cada molécula de gas) representa sólo el 5% de todo lo que existe.

Entonces, hay un 95% del universo que apenas entendemos. "Este es el mayor enigma que tenemos en este momento en física y astronomía", dijo Laureijs. "Como astrónomo, es realmente fantástico estar en este momento para trabajar en este problema".

Cómo cazar lo invisible

El método tradicional para buscar energía oscura ha sido medir la expansión del universo mediante la observación de supernovas. Si una supernova explota en una galaxia distante, podemos rastrear la energía que desprende para estimar a qué distancia se encuentra, pero hay limitaciones de este enfoque. Así, en las últimas décadas se han concebido dos nuevos métodos para medir la expansión del universo, y Euclides hará uso de ambos.

El primer método consiste en observar la distribución de galaxias en todo el universo. Los astrónomos miran la distancia a una galaxia y observan su corrimiento al rojo (el grado en que la luz de esa galaxia se desplaza al extremo rojo del espectro), y a partir de esto pueden calcular qué tan rápido se está alejando la galaxia de a nosotros.

El segundo método consiste en observar la distribución de la materia oscura. Sabemos que la distribución de la materia ordinaria sigue la distribución de la materia oscura, y que hay mucha más materia oscura que ordinaria por ahí. Los efectos gravitacionales de la materia oscura se pueden ver mediante una técnica llamada lentes gravitacionales, en la que la masa de materia oscura desvía la luz a su alrededor.

Esta es la razón por la que Euclides busca tanto materia oscura como energía oscura, porque aprender sobre una también puede enseñarnos sobre la otra.

Un nivel de precisión increíble

Para recopilar los tipos de datos necesarios para estudiar la energía y la materia oscuras, las herramientas son conceptualmente relativamente simples. Euclides tiene dos instrumentos principales: una cámara/espectrómetro de infrarrojos y una cámara óptica gigante.

El instrumento infrarrojo tiene varios filtros y prismas de rejilla que le permiten medir el corrimiento al rojo de galaxias distantes, lo que muestra qué tan lejos se están alejando de nosotros. La cámara óptica es un mosaico de 36 sensores que dan una resolución total de más de 600 megapíxeles, lo que da como resultado imágenes extremadamente nítidas, como una versión mucho más precisa de una cámara digital. Y luego está el propio telescopio con su espejo de 1,2 metros.

El desafío de construir el hardware es el increíblemente alto nivel de precisión requerido. Las distorsiones que buscan los científicos debido a la presencia de materia y energía oscuras son tan pequeñas que los instrumentos tienen que ser increíblemente sensibles, capaces de captar incluso las fluctuaciones más pequeñas en las lecturas. Pero eso significa que cualquier cambio en el entorno del propio telescopio puede distorsionar los datos de manera importante. Incluso algo tan pequeño como encender los componentes electrónicos del satélite se notará en las lecturas que se tomen.

"El telescopio ha sido construido de tal manera que es extremadamente estable y proporciona imágenes muy nítidas", dijo Laureijs. “Y tiene un campo de visión muy amplio. Si combinas todo (estable, nítido y con un amplio campo de visión), ¡obtendrás un diseño imposible! Entonces es muy difícil”.

Una forma en que el equipo aborda este problema de diseño es colocando el telescopio en el espacio, donde estará en una situación mucho más entorno estable y puede capturar imágenes de cuatro a cinco veces más nítidas que la imagen más nítida que podría capturarse desde Tierra. Pero todavía existe el problema de la luz solar, ya que ajustar el satélite con respecto al sol cambiará la cantidad de calor que recibe. Incluso un cambio de unos pocos milivatios de energía es suficiente para que los instrumentos lo detecten.

El mayor problema al que se enfrentan los diseñadores de telescopios es la expansión. Cuando los materiales se calientan, se expanden e incluso una pequeña fluctuación de temperatura podría hacer que partes del telescopio se hinchen e introduzcan distorsiones en los datos.

Como resultado, la mayoría de los componentes de Euclid están construidos con un material extraordinario llamado carburo de silicio. Esta cerámica tiene un coeficiente de expansión extremadamente bajo, lo que significa que se expande muy poco cuando se calienta. Y como se utiliza en todos los instrumentos, si se expande, lo hace de manera uniforme. Incluso los marcos de los sensores están hechos de carburo de silicio, al igual que el espejo principal del telescopio. El espejo ha sido altamente pulido con una tolerancia de unos pocos nanómetros, un proceso que llevó casi un año.

Todo este cuidado significa que el satélite es extremadamente estable y podrá capturar imágenes nítidas y precisas.

Ofreciendo algo a la humanidad.

Si bien el estudio de la materia y la energía oscuras es de gran importancia para la física teórica, la búsqueda también puede tener implicaciones prácticas. En primer lugar, el hardware diseñado para proyectos como Euclid y las técnicas de medición desarrolladas podrían utilizarse en una amplia gama de campos diferentes. En segundo lugar, está la gran cantidad de datos que recopilará Euclid.

"Con nuestros datos, no sólo medimos la energía y la materia oscuras, sino que también tomamos fotografías de todo lo que vemos en el cielo en esas longitudes de onda", dijo Laureijs. “Así que hay mucha más astronomía en ello. Y eso también es una parte emocionante, porque ofrecemos algo muy nuevo a la humanidad, a los astrónomos. Dentro de ocho años, podrás ir al sitio web de la ESA e ir a cualquier posición del cielo y ver cómo se ve, con enorme resolución, a una profundidad de hace 10 millones de años”.

Sin embargo, la búsqueda de materia y energía oscuras consiste principalmente en comprender cómo opera nuestro universo en los aspectos más fundamentales. nivel, y respondiendo a una pregunta que resulta absolutamente desconcertante en estos momentos: “Lo que vemos a nuestro alrededor es sólo el 5% de lo que hay en nuestro universo. El otro 95% es materia y energía oscuras, algo que difícilmente podemos explicar”, afirmó Laureijs. "Esta es, para mí, la razón fundamental por la que hacemos Euclides".

Es esta extraña e inexpiable pregunta de de qué está compuesto el universo la que impulsa a los científicos, ingenieros y astrónomos que trabajan con la materia oscura. Porque lo que vemos a nuestro alrededor es sólo una muestra de lo que existe en lo desconocido.