¿Por qué el Universo se ha vuelto más brillante?

El astrofísico Tod Lauer normalmente se dedica a estudiar galaxias, agujeros negros y la estructura en gran escala del Universo — cosas alejadas del Sistema Solar y los planetas del vecindario de la Tierra. Sin embargo, desde el 2013, Lauer dirigió sus talentos a la ciencia planetaria, uniéndose al equipo detrás de la misión New Horizons para explorar Plutón y el Cinturón de Kuiper. Ahora, utilizando la Cámara de Reconocimiento de Largo Alcance, LORRI (LOng Range Reconnaissance Imager), de la sonda New Horizons, la atención de Lauer volvió a centrarse en el espacio profundo y en medir el Fondo Óptico Cósmico, es decir, la luz combinada de todo lo que hay en el Universo más allá de la Vía Láctea. Las observaciones demuestran que la luz de fondo del Universo es dos veces más brillante de lo esperado y nadie sabe por qué.

¿Cómo es que un astrofísico que estudia las galaxias llegó a trabajar en una misión hacia el Cinturón de Kuiper? Todo comienza cuando Lauer era joven y fue testigo del inicio de la Era Espacial. Esto convirtió a Lauer en un entusiasta del espacio y así nació uno de sus pasatiempos.

Señalando una pared de su hogar llena con estantes que se hunden con el peso de cientos de libros sobre el espacio y su exploración, Lauer se describe como un historiador espacial aficionado en su tiempo libre.

“Nací dos mes antes del Sputnik y crecí con el Apolo y la carrera hacia la Luna, por lo que mi vida siempre ha estado entrelazada con la Era Espacial”, a lo que agrega que, como cualquier entusiasta, “aún sigo todas las misiones”.

Esta fascinación con la exploración del espacio significó que Lauer sabía a una temprana edad que quería convertirse en científico “y específicamente en astrónomo”. Lauer fue a Caltech para realizar sus estudios universitarios en astronomía, antes de trasladarse a la Universidad de California, Santa Cruz, para su doctorado. Su investigación postdoctoral la realizó en la Universidad de Princeton, donde formó parte del equipo de la Cámara Planetaria y de Gran Angular (WFPC por sus siglas en inglés) del Telescopio Espacial Hubble.

La solución más obvia es que existen más galaxias en el Universo de lo que nuestras simples extrapolaciones predicen, o que algo sobre sus propiedades era diferente cuando eran jóvenes

Una imagen del Telescopio Espacial Hubble del año 1990 que muestra el núcleo de NGC 7457, una galaxia lenticular que se encuentra a unos 40 millones de años luz de distancia.

Credit: NASA/ESA and STScI

“En ese entonces, la WFPC fue el instrumento principal en el Hubble. Fui uno de los responsables de llevar a cabo el programa científico inicial del equipo y de hacer el primer trabajo con el telescopio”, comenta Lauer, quien fue el autor del primer artículo de investigación del Telescopio Espacial Hubble, que describe la imagen del núcleo de la galaxia lenticular cercana NGC 7457.

En esos momentos, Lauer se había trasladado para unirse al Observatorio Nacional de Astronomía Óptica (NOAO) donde continúa trabajando hasta el día de hoy en el recientemente formado NOIRLab. Aunque ha pasado mucho tiempo de las últimas décadas investigando galaxias, su “schtick” (especialidad), como él lo describe, se basa en escribir algoritmos, en particular, analizar imágenes y extraer información de ellas, que pueden ser útiles al trabajar con imágenes de galaxias tenues tomadas por el Telescopio Espacial Hubble.

¿Sabías que, de acuerdo a la imagen de Campo Profundo del Telescopio Espacial Hubble, es probable que existan unos 120 mil millones de galaxias en el Universo observable? Aún así, según la reciente investigación de Lauer, existe más luz en el cosmos de lo que habían pensado.

Fue este conocimiento técnico el que llevó a Lauer a ser parte del equipo científico de New Horizons, de una forma casi accidental: Dos años antes del encuentro de la sonda New Horizons con Plutón en 2015, el equipo fue parte de una discusión pública sobre cómo planeaban usar su sonda espacial para realizar reconocimiento de largo alcance para buscar lunas y escombros alrededor de Plutón que pudiesen ser un riesgo para la misión. Motivado por su interés general en misiones espaciales y su experiencia, Lauer le escribió a Hal Waever, el Científico de Proyecto de la misión, para hacerle algunas preguntas.

“Desde mi perspectiva utilizando el Hubble, no entendí su enfoque, entonces le escribí a Hal y le dije ¿has pensado sobre hacer esto o esto otro?”, recuerda Lauer. “Hal me explicó pacientemente de que han tenido fuertes restricciones, y por lo tanto, algunas de las cosas que normalmente uno podría pensar al utilizar el Hubble no funcionarían con la sonda New Horizons. Y hasta ahí pudo haber llegado, pero luego me dijo “esto es lo que estamos haciendo, nos gustaría saber qué piensas sobre ello”.

Antes de darse cuenta, Lauer se había unido al equipo de científicos planetarios de New Horizons, apoyando en el encuentro con Plutón y diseñando parte del plan para el siguiente encuentro con Arrokoth, un Objeto del Cinturón de Kuiper que fue descubierto por observaciones del Hubble realizadas por el equipo científico de New Horizons.

Después del encuentro con Arrokoth, la sonda New Horizons siguió viajando hasta el Cinturón de Kuiper y su distancia desde la brillante luz del Sol le dio a Lauer la idea de usar la oscuridad como el ambiente perfecto para que LORRI midiera el Fondo Óptico Cósmico.

No era la primera vez que los astrónomos habían intentado realizar dichas mediciones, pero estas se habían hecho alrededor de la Tierra, teniendo el resplandor de nuestro planeta y del Sol cercano. Aún así, algunas de esas mediciones habían sugerido que podría existir más luz de fondo de la que pueden aportar todas las galaxias del Universo. Las observaciones de New Horizons puso esto a prueba en los cielos más oscuros del Sistema Solar.

Cualquiera que sea el resultado, Lauer nos cuenta que fue “divertido realizar el proyecto”… este descubrimiento podría tener un alto impacto para los cosmólogos y astrónomos

Ilustración artística de la sonda espacial New Horizons de la NASA, que tomó las primeras imágenes de cerca del planeta enano Plutón.

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Con la ayuda de los otros miembros del equipo de New Horizons y Marc Postman del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (STScI), Lauer pudo medir el Fondo Óptico Cósmico utilizando imágenes de LORRI y descubrió que era dos veces más brillante de lo esperado basándose en lo que sabemos sobre la distribución y población de galaxias desde los primeros tiempos.

“La solución más obvia es que existen más galaxias en el Universo de lo que nuestras simples extrapolaciones predicen, o que algo sobre sus propiedades era diferente cuando eran jóvenes”, nos comenta Lauer.

Otra posibilidad es que se trate de un error y de que tal vez la luz se estaba filtrando en la cámara desde una fuente que el equipo de New Horizons no haya considerado. Cuando LORRI realizó las mediciones del Fondo Óptico Cósmico, la cámara estaba apuntando hacia el espacio profundo, con el Sol detrás de la sonda espacial. Sin embargo, es posible que la luz se haya dispersado hacia la cámara desde alguna parte colgante de la sonda espacial. A modo de mostrar los esfuerzos que el equipo realizó para descartar esta teoría, Lauer dijo que “Pasamos semanas trabajando con modelos de la sonda espacial y software de trazado de rayos para demostrar que no, que la luz solar no pudo rebotar en algo que estuviera colgando en frente de la cámara”.

Instalación de la Cámara de Reconocimiento de Largo Alcance (LORRI) en la nave espacial New Horizons de la NASA realizada por técnicos en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad John Hopkins en Laurel, Maryland.

Credit: NASA/John Hopkins University Applied Physics Laboratory

Al hacerlo, Lauer también mejoró la calibración de LORRI más allá de lo que había sido requerida para el encuentro principal de New Horizons. “El problema de la luz dispersa, por ejemplo, no había sido una inquietud mayor, por lo que me siento bien de que pude ayudar a mejorar el uso de la cámara para otras investigaciones que no eran parte de la misión principal”, indicó Lauer. “Un defecto de imagen todavía podría ser una explicación, pero sería una explicación desafortunada porque significaría que no hicimos bien nuestro trabajo”.

El misterio podría resolverse cuando se lance el Telescopio Espacial James Webb de la NASA y pueda ver profundamente el Universo y observar las galaxias más antiguas. Podría descubrir que estas galaxias jóvenes son más brillantes de lo esperado o de que existen más de ellas que aporten suficiente luz para formar la cantidad total de luz observada por LORRI.

El Universo está colmado de galaxias, como lo ilustra el Campo Ultra Profundo del Hubble (foto), pero es más brillante de lo esperado, por lo que podría haber incluso más estructuras galácticas de las que se pensaba anteriormente.

Credit: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

Cualquiera que sea el resultado, Lauer nos cuenta que fue “divertido realizar el proyecto” y que a pesar de no ser parte de la misión principal de New Horizons, este descubrimiento podría tener un alto impacto para los cosmólogos y astrónomos extragalácticos que buscan entender las galaxias. Por el momento, Lauer reflexionará sobre el problema de esta luz de fondo adicional mientras toca el piano.

“No soy en realidad un buen músico, pero me ayuda a pensar. Puedo dejar mis problemas de lado, ir al piano y dejar que las cosas se resuelvan solas en mi cabeza”.