European
Southern
Observatory
Ciencia con el ELT
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Lo que vemos a nuestro alrededor, planetas, estrellas y el polvo entre ellos, sólo representa el 5% del Universo.
El resto está constituido por materia oscura invisible y por una misteriosa energía oscura que, se piensa, podría provocar que el Universo se expanda de manera cada vez más acelerada. Cuando se descubrió esta expansión acelerada, en la década de 1990, desafió totalmente lo que creíamos saber sobre las leyes del Universo. El ELT, por fin, nos dará un medio para buscar, identificar y, en definitiva, caracterizar la nueva física que se espera descubrir.
El resto está constituido por materia oscura invisible y por una misteriosa energía oscura que, se piensa, podría provocar que el Universo se expanda de manera cada vez más acelerada. Cuando se descubrió esta expansión acelerada, en la década de 1990, desafió totalmente lo que creíamos saber sobre las leyes del Universo. El ELT, por fin, nos dará un medio para buscar, identificar y, en definitiva, caracterizar la nueva física que se espera descubrir.
Lo que vemos a nuestro alrededor, planetas, estrellas y el polvo entre ellos, sólo representa el 5% del Universo.
El resto está constituido por materia oscura invisible y por una misteriosa energía oscura que, se piensa, podría provocar que el Universo se expanda de manera cada vez más acelerada. Cuando se descubrió esta expansión acelerada, en la década de 1990, desafió totalmente lo que creíamos saber sobre las leyes del Universo. El ELT, por fin, nos dará un medio para buscar, identificar y, en definitiva, caracterizar la nueva física que se espera descubrir.
Las galaxias giran rápido, tan rápido que la gravedad generada por las estrellas, polvo y gas no es suficiente para mantenerlas unidas. Este hecho llevó a conjeturar que las galaxias están rodeadas por un halo de materia oscura invisible, pero aunque esta teoría fue propuesta hace casi 100 años, la naturaleza de la materia oscura sigue siendo enigmática. El ELT será capaz de observar los halos de materia oscura alrededor de galaxias distantes, nos ayudará a determinar qué proporción de cada galaxia está compuesta por materia oscura, y tal vez a poder comprender en qué consiste esta extraña sustancia.
La materia oscura representa aproximadamente una cuarta parte del Universo, en tanto que la misteriosa energía oscura representa alrededor de un 70%. En la década de 1920, Edwin Hubble realizó observaciones revolucionarias que aportaron la primera evidencia directa que el Universo se está expandiendo, y que otras galaxias se están alejando de nosotros y alejándose entre sí. Durante mucho tiempo, se supuso que esta expansión se estaría desacelerando, debido a la atracción gravitacional que toda materia en el Universo ejerce sobre todo el resto de la materia. Sin embargo, en la década de 1990 un equipo de astrónomos descubrió, con sorpresa, que esta expansión en realidad se está acelerando.
Este descubrimiento cambió profundamente la cosmología, ya que sugirió que existe otro componente en el Universo que no podemos ver, pero que actúa contra la gravedad y empuja al espacio más lejos. Hemos denominado energía oscura a este componente, pero aún sigue siendo un misterio. Sugiere que nuestras teorías de la cosmología y física de partícula son insuficientes (o posiblemente incorrectas) y que existe una física nueva, aún por descubrir. La tarea clave para la nueva generación de instalaciones astrofísicas será buscar, identificar y en definitiva caracterizar esta nueva física.
Irónicamente, la forma más elemental de esta energía oscura es la constante cosmológica que fue introducida por Einstein cuando intentaba conseguir que su teoría de la relatividad general permitiera un Universo no expansivo, la visión aceptada en ese momento. De hecho, la teoría de la relatividad general con la constante cosmológica explica muy bien la expansión acelerada. Alternativamente, se ha propuesto que la relatividad general sea reemplazada por una teoría modificada de la gravedad, que explicaría la expansión acelerada y la formación de estructuras en el Universo temprano, por un comportamiento diferente de la gravedad en las mayores escalas.
El ELT brindará información única para decidir si la relatividad general o una teoría modificada de la gravedad describe mejor la expansión del Universo, incluyendo análisis sobre el comportamiento de la gravedad en regímenes inexplorados, como también cartografía de la historia de la expansión del universo.
Para comprender nuestro Universo necesitamos entender qué está impulsando su aceleración, para lo cual se debe determinar la historia de la expansión del Universo. El ELT revolucionará la forma de medir la aceleración del Universo, permitiéndonos develar los misterios de la energía oscura.
Los sondeos estándar de la expansión del Universo incluyen lentes gravitacionales débiles y el sello impreso por la luz, poco después del Big Bang en la distribución actual de las galaxias, y supernovas de tipo Ia. El ELT contribuirá a los esfuerzos actuales para medir la aceleración del Universo mediante la caracterización de supernovas de alto desplazamiento al rojo tipo Ia, identificadas por el telescopio espacial James Webb y otras instalaciones de sondeo.
El telescopio de ESO también podrá cartografiar la historia de la expansión del Universo, utilizando un método completamente diferente, al observar la expansión del Universo en tiempo real.
La extracción de información sobre la expansión del Universo a partir de sondas estándar se basa en suposiciones sobre la curvatura del espacio, depende del modelo cosmológico adoptado y sólo puede estimar la trayectoria de expansión promedio durante períodos de tiempo prolongados. En la década de 1960 se propuso un abordaje independiente del modelo, que mide la tasa de expansión en forma directa, pero debido a limitaciones tecnológicas no se ha logrado realizar esta medición en la práctica. Este enfoque se conoce como deriva del desplazamiento al rojo, y es un método que brinda un enfoque verdaderamente independiente y único para explorar la historia de la expansión del Universo. El desplazamiento al rojo de los espectros de objetos distantes indica la expansión del Universo, por lo que un cambio en este desplazamiento al rojo en el tiempo es un índice de cambio en la tasa de expansión. Sin embargo, la magnitud estimada de la deriva del desplazamiento al rojo en una década es de sólo unos 10 cm/s. Dicho indicador es 10 a 20 veces menor al que logran los grandes telescopios actuales en galaxias tan distantes. La enorme área recolectora de luz del ELT, junto con los nuevos avances en óptica cuántica para registrar espectros ultra estables, implica que esta sorprendente medición ahora es viable.
Se utilizará el método de deriva del desplazamiento al rojo con el instrumento ANDES del ELT para determinar la expansión acelerada del Universo directamente, lo que nos permitirá cuantificar la naturaleza de la energía oscura responsable de la aceleración. Cuando se realiza una primera etapa de observaciones, la señal de la deriva de desplazamiento al rojo crece linealmente con el tiempo. Por lo tanto, a muy largo plazo (en varias décadas) la deriva del desplazamiento al rojo podrá superar a otros métodos para acotar la historia de la expansión del Universo.
Además de la importancia conceptual fundamental de observar directamente la expansión del Universo, la deriva del desplazamiento al rojo supone una nueva y crucial comprobación de coherencia para los supuestos de nuestras teorías de la cosmología. Otras dos pruebas de este tipo que serán mejoradas significativamente por el ELT, son las mediciones de temperatura de la radiación del fondo cósmico de microondas y las abundancias primordiales de elementos ligeros.
Ilustración del poder de restricción de las mediciones del corrimiento al rojo por deriva realizadas con el ELT para distintos modelos cosmológicos. Crédito: Carlos Martins
El ELT también nos ayudará a recopilar indicios sobre el otro componente del Universo oscuro, la materia oscura, contribuyendo a calcular la forma de los halos de materia oscura.
La evidencia astrofísica de halos de materia oscura alrededor de las galaxias surgió por primera vez en la década de 1930 con estudios de curvas de rotación de galaxias, que grafican la velocidad de estrellas y gas en función de su distancia desde el centro de su galaxia anfitriona. Estos estudios aún desempeñan un papel importante. Requieren observaciones de alta resolución de la cinemática de las zonas internas de las galaxias para constreñir la distribución de la masa bariónica, o visible. A desplazamientos al rojo más altos, las curvas de rotación no están lo suficientemente resueltas como para restringir la fracción de materia oscura. Sin embargo, utilizando datos de los instrumentos SINFONI y KMOS, instalados en el Very Large Telescope (VLT) de ESO, dos estudios recientes lo intentaron en regiones internas de galaxias distantes, utilizando observaciones limitadas en visibilidad o asistidas por óptica adaptativa, y uniendo varias imágenes para reducir el ruido. Sus resultados apuntan hacia una baja fracción de materia oscura, un hallazgo que se ve respaldado por la observación de curvas de rotación decrecientes. Sin embargo, estos resultados siguen siendo controvertidos porque la proporción señal-ruido es baja y la resolución espacial es bastante tosca.
El instrumento HARMONI del ELT será el primero en alcanzar la resolución espacial necesaria para disociar la distribución de la materia visible de la distribución de la materia oscura en galaxias de alto corrimiento al rojo. La distribución en modelos de masa, proporcionarán mediciones de la densidad central del halo oscuro y el radio del núcleo para galaxias en un rango de desplazamiento al rojo que no es alcanzable con telescopios de 8-10 metros. Los astrónomos podrán usar el ELT para medir la forma de los halos de materia oscura en función de la historia del ensamblaje de masas de las galaxias, la cosmología y los entornos. Las simulaciones detalladas muestran que HARMONI podrá estudiar cinemática resuelta espacialmente con suficiente detalle y razón señal-ruido para realizar modelos de masa y recuperar la forma de los halos de materia oscura hasta masas estelares de 109 masas solares con un desplazamiento al rojo de 1,4 y 109,5 masas solares con un desplazamiento al rojo de 2,7 utilizando la línea Hα en sólo 2 horas de exposición. Un espectrógrafo multi-objeto como el instrumento MOSAIC del ELT nos permitirá ampliar la muestra estadística de galaxias, así como ampliar los estudios de curvas de rotación y perfiles de materia oscura.
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