Un detallado estudio de una amplia zona del cielo, captada por el VST, ofrece intrigantes resultados
7 de Diciembre de 2016
Tras analizar los datos de un nuevo e inmenso sondeo de galaxias con el telescopio de rastreo del VLT de ESO, en Chile, los resultados sugieren que la materia oscura puede ser menos densa y estar distribuida de forma más uniforme en el espacio de lo que se pensaba. Un equipo internacional ha utilizado los datos del sondeo KiDS (Kilo Degree Survey) para estudiar cómo la luz de unos quince millones de galaxias distantes se ve afectada por la influencia gravitacional de la materia en las escalas más grandes del universo. Los resultados parecen estar en desacuerdo con los anteriores resultados del satélite Planck.
Hendrik Hildebrandt, del Instituto Argelander de Astronomía, en Bonn (Alemania) y Massimo Viola, del Observatorio de Leiden (Países Bajos) han dirigido a un equipo de astrónomos [1] de instituciones de todo el mundo que han procesado imágenes del sondeo KiDS (Kilo Degree Survey), realizado con el VST (VLT Survey Telescope) de ESO, en Chile. Para su análisis, utilizaron imágenes del sondeo de cinco zonas del cielo que cubrían un área total de alrededor de 2.200 veces el tamaño de la Luna llena [2] y que contiene unos quince millones de galaxias.
Explotando la excelente calidad de imagen de la que disfruta el VST en Paranal, y utilizando innovadores programas informáticos, el equipo fue capaz de llevar a cabo una de las mediciones más precisas jamás realizadas de un efecto conocido como “esquilado cósmico” (en inglés, cosmic shear). Se trata de una variante sutil de la lente gravitacional débil, en la que la luz emitida por galaxias lejanas es ligeramente deformada por el efecto gravitacional de grandes cantidades de materia, tales como cúmulos de galaxias.
En ese “esquilado cósmico”, no son los cúmulos de galaxias, sino las estructuras a gran escala del universo las que deforman la luz, que produce un efecto aún más pequeño. Se necesitan sondeos muy anchos y profundos, como KiDS, para garantizar que la débil señal del “esquilado cósmico” sea lo suficientemente fuerte como para ser medida y los astrónomos puedan utilizarla para mapear la distribución de la materia gravitante. Este estudio se ha hecho con el área total de cielo más grande jamás mapeada con esta técnica.
Curiosamente, los resultados de sus análisis parecen ser incompatibles con las deducciones de los resultados del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, una misión espacial cuyo objetivo fue estudiar las propiedades fundamentales del universo. En particular, las medidas del equipo de KiDS de cuán grumosa es la materia en todo el universo — un parámetro cosmológico fundamental — es significativamente menor que el valor derivado de los datos de Planck [3].
Massimo Viola, explica: "este último resultado indica que la materia oscura de la red cósmica, que representa una cuarta parte del contenido del universo, es menos grumosa de lo que previamente creíamos".
La materia oscura sigue siendo esquiva en su detección, su presencia sólo se deduce a partir de sus efectos gravitatorios. Actualmente, este tipo de estudios son la mejor herramienta para determinar la forma, escala y distribución de esta materia invisible.
El resultado sorpresa de este estudio también tiene implicaciones para la comprensión del universo en toda su amplitud y para entender cómo ha evolucionado durante sus casi 14.000 millones de años de historia. Un resultado de este tipo, aparentemente en desacuerdo con los resultados previamente establecidos por Planck, significa que ahora los astrónomos tendrán que reformular su comprensión de algunos aspectos fundamentales del desarrollo del universo.
Para Hendrik Hildebrandt, "nuestros hallazgos ayudarán a refinar nuestros modelos teóricos sobre cómo ha crecido el universo desde sus inicios hasta la actualidad".
El análisis de KiDS de los datos del VST es un paso importante, pero se espera que los futuros telescopios hagan sondeos incluso más amplios y profundos del cielo.
La colíder del estudio, Catherine Heymans, de la Universidad de Edimburgo (Reino Unido), añade: "Desvelar lo que ha ocurrido desde el Big Bang es un reto complejo, pero si seguimos estudiando los cielos distantes podremos construir una imagen de cómo ha evolucionado nuestro universo actual".
“Por el momento, vemos una discrepancia interesante con la cosmología de Planck. Las futuras misiones, como el satélite Euclides y el telescopio LSST (Large Synoptic Survey Telescope), nos permitirán repetir estas mediciones y comprender mejor qué es lo que realmente nos está diciendo el universo”, concluye Konrad Kuijken (Observatorio de Leiden, Países Bajos), investigador principal del sondeo KiDS.
Notas
[1] El equipo internacional de investigadores de KiDS incluye a científicos de Alemania, Países Bajos, Reino Unido, Australia, Italia, Malta y Canadá.
[3] El parámetro medido se llama S8. Su valor es una combinación del tamaño de las fluctuaciones de densidad y la densidad media de una sección del universo. Las fluctuaciones grandes en partes del universo con densidades más bajas tienen un efecto similar al de pequeñas fluctuaciones de amplitud en las regiones más densas y no se pueden distinguir unas de otras a través de observaciones de lente gravitacional débil. El 8 se refiere a un tamaño de celda de 8 megapársecs, utilizado por convención en este tipo de estudios.
Información adicional
Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico titulado: “KiDS-450: Cosmological parameter constraints from tomographic weak gravitational lensing”, por H. Hildebrandt et al., y aparece en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
El equipo está formado por H. Hildebrandt (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania); M. Viola (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); C. Heymans (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); S. Joudaki (Centro der Astrofísica & Supercomputación, Universidad Tecnológica Swinburne, Hawthorn, Australia); K. Kuijken (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); C. Blake (Centro der Astrofísica & Supercomputación, Universidad Tecnológica Swinburne, Hawthorn, Australia); T. Erben (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania); B. Joachimi (University College London, Londres, Reino Unido); D Klaes (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania); L. Miller (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido); C.B. Morrison (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania); R. Nakajima (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania);, G. Verdoes Kleijn (Instituto de Astronomía Kapteyn, Universidad de Groningen, Groningen, Países Bajos); A. Amon (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); A. Choi (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); G. Covone (Departamento de Física, Universidad de Nápoles Federico II, Nápoles, Italia); J.T.A. de Jong (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); A. Dvornik (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); I. Fenech Conti (Instituto de Ciencias Espaciales y Astronomía (ISSA), Universidad de Malta, Msida, Malta; Departamento de Física, Universidad de Malta, Msida, Malta); A. Grado (INAF – Observatorio Astronómico de Capodimonte, Nápoles, Italia); J. Harnois-Déraps (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido; Departamento de Física y Astronomía, Universidad British Columbia, Vancouver, Canadá); R. Herbonnet (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); H. Hoekstra (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); F. Köhlinger (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); J. McFarland (Instituto de Astronomía Kapteyn, Universidad de Groningen, Groningen, Países Bajos); A. Mead (Departamento de Física y Astronomía, Universidad British Columbia, Vancouver, Canadá); J. Merten (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido); N. Napolitano (INAF – Observatorio Astronómico de Capodimonte, Nápoles, Italia); J.A. Peacock (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); M. Radovich (INAF – Observatorio Astronómico de Padua, Padua, Italia); P. Schneider (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania); P. Simon (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania); E.A. Valentijn (Instituto de Astronomía Kapteyn, Universidad de Groningen, Groningen, Países Bajos); J.L. van den Busch (Instituto Argelander de Astronomía, Bonn, Alemania); E. van Uitert (University College London, Londres, Reino Unido); y L. van Waerbeke (Departamento de Física y Astronomía, Universidad British Columbia, Vancouver, Canadá).
ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro Armazones, ESO está construyendo el E-ELT (European Extremely Large Telescope), el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.
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¿Qué es la materia oscura y para qué sirve?
Dicen que las obras musicales más difíciles de interpretar son, por lo general, las más simples. Lo mismo ocurre en el ámbito de la ciencia: preguntas como "de qué está hecho el universo" evaden incluso a los físicos más brillantes.
Pero esto puede cambiar. El Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, el acelerador europeo de partículas localizado en la frontera franco-suiza, vuelve a funcionar tras una pausa por mantenimiento y modernización de dos años.
Ahora las partículas se chocarán al doble de energía de la que la estaba disponible en los gloriosos días del descubrimiento del bosón de Higgs.
Se anticipa -o se espera- que el aumento de su potencia permita finalmente revelar la identidad de la "materia oscura", una entidad invisible pero crítica que conforma alrededor de un cuarto del universo.
Lea: Después de la partícula divina, ¿qué busca el Gran Colisionador de Hadrones?
Cuando ocurre lo que no debería
La materia oscura apareció en el radar de la mayoría de los científicos en 1974, gracias a las observaciones de la astrónoma estadounidense Vera Rubin, quien notó que las estrellas que orbitan alrededor de los agujeros negros en el centro de las galaxias en espiral como la nuestra lo hacen a la misma velocidad, independientemente de la distancia a la que se encuentran del centro.
Esto no debería ocurrir, y no pasa aparentemente en sistemas comparables como nuestro Sistema Solar, en el que la velocidad de los planetas atrapados por la gravedad de la órbita solar se ralentiza cuanto más lejos se encuentran de la estrella.
Neptuno, por ejemplo, demora 165 años terrestres en dar una vuelta al Sol.
Esto es lo que nuestro entendimiento de la gravedad nos dice que debería ocurrir.
Las estrellas observadas por Rubin moviéndose a la misma velocidad fueron una sorpresa: tenía que haber algo más allí -que provea más gravedad- de lo que podemos ver. Materia oscura.
WIMP
La materia oscura, entonces, es un término genérico para eso (materia) que debe estar allí, pero que no podemos ver (oscura). Pero los científicos, realmente, no saben qué es.
Esto no quiere decir que no se haya progresado en el tema. Se cree ahora que la materia oscura no es sencillamente materia ordinaria formada por gas y polvo de estrellas muertas que es oscura sólo porque no brilla.
Hay un consenso en que es un miasma (aún no identificado) de partículas fundamentales como los quarks y los gluones que conforman los átomos con los que estamos mucho más familiarizados.
Estas partículas "oscuras" fundamentales se conocen como WIMP, siglas en inglés de Weakly Interacting Massive Particles, que en español podría traducirse como Partículas Masivas que Interactúan Débilmente.
Este acrónimo, como el término "materia oscura", es una descripción de cómo estas criaturas teóricas se comportan más que una definición de lo que son.
Lo de la interacción débil se refiere a que no tienen mucho que ver con la materia ordinaria.
Como la atraviesa, es muy difícil detectarla, ya que la materia ordinaria es todo lo que tenemos para hacerlo.
Lo de masivas significa simplemente que tienen masa. No tiene nada que ver con su tamaño.
Y, partículas, a falta de una mejor definición significa cosa.
Lea también: Descubren una nueva partícula subatómicaOscura y también fría
Recapitulando, la materia oscura es una forma fundamental de partículas con características Wimp.
En teoría, estos WIMPS pueden ser una serie enorme de cosas, pero el trabajo de Carlos Frenk, profesor de la Universidad de Durham, en Reino Unido, restringió el rango de búsqueda.
En los años 80, Frenk y sus colegas anunciaron que la materia oscura debía ser del tipo Wimp, y que además, tenía que ser "fría".
En su momento fue una propuesta controvertida. Pero, recientemente, Frenk añadió modelos computarizados a esta teoría, creando universos.
"Es un proceso simple", dice. "Lo único que necesitas es gravedad y asumir una pocas cuestiones básicas".
Dos son clave. Una es que la materia oscura es de la variedad WIMP y que es fría.
Los universos que surgen de su computadora son indistinguibles del nuestro, lo cual apoya la teoría de la materia oscura fría.
Y, porque es parte de la simulación, puede hacerse visible.
La revelación de lo invisible. "Casi puedes tocarla", dice entusiasmado Frenk.
La búsqueda del Colisionador
El problema es el "casi". El hecho es que no puedes tocarla, y por eso encontrarla "en el ambiente" ha sido, hasta la fecha, imposible. Aun así, debe estar allí y debe ser una partícula fundamental. Y ahí es donde entra en juego el Gran Colisionador de Hadrones (GCH).
Lo que ocurren en el GCH es que los protones son lanzados dentro de un tubo de 27 Kilómetros de largo en direcciones opuestas.
Una vez que se aceleraron a casi la velocidad de la luz, colisionan unos con otros.
Esto da lugar a dos cosas. Primero, hace que los protones se desintegren, revelando quarks, gluones, bosones de gauge y otras partículas fundamentales de la materia atómica.
Hay 17 partículas en el modelo estándar de partículas físicas y todas ellas fueron detectadas en el GCH.
Segundo, las colisiones pueden producir otras partículas más pesadas. Cuando lo hacen, los detectores del GCH las registran.
Dave Charlton profesor de la Universidad de Birmingham está a cargo de uno de esos detectores.
"A veces se producen partículas mucho más masivas. Estas son las que estamos buscando".
Charlton -y todos los demás en el CERN- las buscan porque podrían ser las partículas que son la materia oscura.
Recreando el Big Bang
Todo suena altamente improbable -la idea de que la materia ordinaria produce materia que no puedes ver o detectar con la materia que la hizo- pero tiene sentido en términos del concepto del Big Bang.
Si la materia oscura existe, se habría producido durante el Big Bang como todo lo demás.
Y para ver qué se produjo en el Big Bang, hace falta recrear sus condiciones, y el único lugar en que puedes crear condiciones bastante similares es en el punto de colisión del GCH.
Cuanto más veloz la colisión, más cerca estamos de la temperatura del Big Bang.
Todo entonces hace pensar que la materia oscura puede llegar a producirse en un acelerador de partículas cono el GCH.
Es más, hay una teoría matemática que predice que los 17 constituyentes del modelo estándar están apareados con otras 17 partículas.
Esto se basa en el principio de la llamada "supersimetría".
John Ellis, físico teórico del Kings College, en Londres, quien trabaja en el CERN, es un apasionado de la supersimetría.
Ellis espera que algunas de estas (todavía teóricas) partículas supersimétricas aparezcan pronto.
"Esperábamos que aparecieran la primera vez en el GCH, pero no lo hicieron", confiesa.
Lo que eso significa, dice, es que las partículas supersimétricas deben ser más pesadas de lo pensado y sólo aparecerán con más energía de la que había disponible hasta ahora.
Dedos cruzados
En la segunda ronda del GCH, las colisiones se harán al doble de potencia, por eso Ellis tiene la esperanza de que esta vez aparezcan.
Si lo hacen, finalmente se habrá resuelto el problema de la materia oscura, junto con otras anomalías en el modelo estándar de física.
Pero si, como la vez pasada, la supersimetría no aparece, físicos y astrofísicos tendrán que pensar otras ideas sobre de qué está hecho el universo.
"Puede que tengamos que rascarnos la cabeza y empezar de nuevo", admite Ellis.
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Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui
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