Los innovadores proyectos científicos del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, que analizará millones de galaxias esparcidas por el espacio y el tiempo, aportarán grandes panorámicas del cosmos, que serán clave para que los científicos puedan discernir entre las principales teorías para saber qué es lo que está acelerando la expansión del universo.
Roman explorará este misterio utilizando múltiples métodos, incluida la espectroscopía. Esta técnica permitirá a los científicos medir con precisión la rapidez con la que se expandió en diferentes eras cósmicas el universo y rastrear cómo ha evolucionado.
“Nuestro estudio pronostica los datos científicos que se obtendrán mediante el estudio de espectroscopía de Roman y muestra cómo varios ajustes podrían optimizar su diseño”, dijo Yun Wang, científico investigador principal de Caltech/IPAC en Pasadena, California, y autor principal del estudio. Como Roman Science Support Center, el IPAC será responsable del procesamiento de datos científicos espectroscópicos de la misión, mientras que el Space Telescope Science Institute en Baltimore será responsable del procesamiento de datos científicos de imágenes, la generación de catálogos y el soporte para las canalizaciones de procesamiento de datos cosmológicos. “Si bien este estudio está diseñado para explorar la aceleración cósmica, también ofrecerá pistas sobre muchos otros misterios. Nos ayudará a comprender la primera generación de galaxias, nos permitirá cartografiar la materia oscura e incluso revelar información sobre estructuras que están mucho más cerca de casa, justo en nuestro grupo local de galaxias”.
El Telescopio Espacial Roman, cuyo lanzamiento está previsto para mayo de 2027, proporcionará una extensa vista del universo que ayudará a los científicos a estudiar los misterios cósmicos. Cada imagen contendrá medidas precisas de una cantidad tan grande de objetos celestes, que permitirán estudios estadísticos que no son factibles usando telescopios con vistas más estrechas.
Según el plan previsto, el estudio de espectroscopía de Roman cubrirá casi 2000 grados cuadrados, o alrededor del 5% del cielo, en poco más de siete meses. Los resultados del análisis del equipo mostraron que el estudio debería revelar distancias precisas para 10 millones de galaxias desde que el universo tenía entre 3 y 6 mil millones de años, ya que la luz que llega al telescopio comenzó su viaje cuando el universo era mucho más joven. Estas medidas permitirán a los astrónomos mapear la estructura a gran escala, similar a la creación de una red del cosmos. El mapeo también revelará las distancias de 2 millones de galaxias incluso antes en la historia del universo, cuando tenía solo entre 2 y 3 mil millones de años, territorio inexplorado en la estructura cósmica a gran escala.
Los resultados del equipo se publican en The Astrophysical Journal.
Leyendo el arcoíris
Casi toda la información que recibimos del espacio proviene de la luz. Roman usará la luz para capturar imágenes, pero también estudiará la luz dividiéndola en colores individuales. Los patrones de longitud de onda detallados, llamados espectros, revelan información sobre el objeto que emitió la luz, incluida la rapidez con la que se aleja de nosotros. Los astrónomos llaman a este fenómeno “desplazamiento hacia el rojo” porque cuando un objeto retrocede, todas las ondas de luz que recibimos de él se estiran y se desplazan hacia longitudes de onda más rojas.
En la década de 1920, los astrónomos Georges Lemaître y Edwin Hubble utilizaron los desplazamientos al rojo para hacer el sorprendente descubrimiento de que, con muy pocas excepciones, las galaxias se alejan de nosotros y entre sí a diferentes velocidades, dependiendo de su distancia. Al determinar la velocidad con la que se alejan las galaxias de nosotros, impulsadas por la expansión incesante del espacio, los astrónomos pueden averiguar a qué distancia se encuentran: cuanto más se desplaza hacia el rojo el espectro de una galaxia, más lejos está.
El estudio de espectroscopía de Roman creará un mapa 3D del universo midiendo distancias y las posiciones con precisión de millones de galaxias. Aprender cómo varía la distribución de las galaxias con la distancia y, por lo tanto, con el tiempo, nos dará una idea de la velocidad a la que se expandió el universo en diferentes eras cósmicas.
Este estudio también conectará las distancias de las galaxias con los ecos de las ondas de sonido justo después del Big Bang. Estas ondas de sonido, llamadas oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), han crecido con el tiempo debido a la expansión del espacio y han dejado su huella en el cosmos al influir en la distribución de las galaxias. Para cualquier galaxia moderna, es más probable que encontremos otra galaxia a unos 500 millones de años luz de distancia que encontrar una un poco más cerca o más lejos.
Mirando más lejos en el universo, a tiempos cósmicos anteriores, significa que esta distancia física entre galaxias, el vestigio de las ondas BAO, disminuye. Esto proporciona una medida de la historia de expansión del universo. Los desplazamientos al rojo de las galaxias también codifican información sobre su movimiento debido a la gravedad de sus vecinas, llamadas distorsiones del espacio del desplazamiento al rojo, lo que ayuda a los astrónomos a rastrear la historia del crecimiento de la estructura a gran escala. Aprender sobre la forma en que se ha expandido el cosmos y cómo ha crecido la estructura dentro de él a lo largo del tiempo, permitirá a los científicos explorar la naturaleza de la aceleración cósmica y probar la teoría de la gravedad de Einstein sobre la edad del universo.
Energía Oscura Versus Gravedad Modificada
A medida que el universo se expande, la gravedad de la materia dentro de él debería ralentizar esa expansión. Los astrónomos se sorprendieron al saber que la expansión del universo se está acelerando porque significa que algo en nuestra imagen del cosmos está mal o está incompleto. El misterio podría explicarse añadiendo un nuevo componente de energía al universo, que los científicos han denominado energía oscura, o podría indicar que la teoría de la gravedad de Einstein, la teoría general de la relatividad, necesita una modificación.
Cambiar las ecuaciones que describen algo tan fundamental como la gravedad puede parecer extremo, pero ya se ha hecho antes. La ley de la gravedad de Isaac Newton no pudo explicar algunas de las cosas que observaron los astrónomos, como un pequeño pero misterioso movimiento en la órbita de Mercurio.
Los astrónomos finalmente se dieron cuenta de que la teoría general de la relatividad de Einstein explicaba perfectamente los problemas que habían surgido, como el cambio orbital de Mercurio. Pasar de la descripción de la gravedad de Newton a la de Einstein implicó transformar la física moderna al cambiar la forma en que vemos el espacio y el tiempo: interconectados, en lugar de separados y constantes.
La aceleración cósmica podría ser un indicativo de que la teoría de la gravedad de Einstein todavía no es del todo correcta. La relatividad general está extremadamente bien probada en escalas físicas sobre el tamaño de nuestro sistema solar, pero menos a medida que avanzamos a escalas cosmológicas más grandes. El equipo simuló el desempeño de Roman y demostró que las enormes y profundas imágenes en 3D del universo que la misión brindará, será una de las mejores oportunidades hasta ahora para discernir entre las principales teorías que intentan explicar la aceleración cósmica.
“Podemos esperar una nueva física, ya sea que aprendamos que la aceleración cósmica es causada por la energía oscura o que descubramos que tenemos que modificar la teoría de la gravedad de Einstein”, dijo Wang. “Roman probará ambas teorías al mismo tiempo”.
El Telescopio Espacial Nancy Grace Roman se administra en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA y Caltech/IPAC en el sur de California, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore y un equipo compuesto por científicos de varias instituciones de investigación. Los principales socios industriales son Ball Aerospace and Technologies Corporation en Boulder, Colorado; L3Harris Technologies en Melbourne, Florida; y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California.
Edición: R. Castro.