Explorando la materia oscura con Rubin

¿Sabías que… es muy apropiado que el Observatorio Vera C. Rubin lidere la búsqueda de la materia oscura en el Universo, porque el observatorio lleva el nombre de la astrónoma que, a finales de los años 60 y 70, descubrió pruebas de la materia oscura? Rubin, junto con su colega Kent Ford, descubrió que las estrellas de la periferia de las galaxias orbitaban con la misma rapidez que las estrellas más cercanas al centro de esas galaxias. La única explicación era que había más gravedad asociada a esas galaxias de la que podía explicar toda su materia visible. En consecuencia, los astrónomos empezaron a pensar que debía haber una gran cantidad de materia invisible responsable de esta gravedad, mucha más materia de la que era visible. A esta cantidad desconocida la llamaron “materia oscura”.

Existen dos formas de estudiar la materia oscura, y el Observatorio Vera C. Rubin va a marcar la pauta de una de ellas cuando comience a operar a mediados de la década.

La materia oscura es el misterioso componente que mantiene unida la estructura del Universo actual. Es el armazón dentro del cual se forman las galaxias y los cúmulos de galaxias. Nadie sabe qué es la materia oscura, pero sabemos que está en todas partes y que constituye el 85% de toda la materia del Universo. El 15% restante corresponde a todo lo demás: galaxias, nebulosas, estrellas, planetas, incluso nosotros. Por lo tanto, hay una gran parte del Universo que permanece oculta.

Una forma de explorar el Universo invisible es mediante experimentos que buscan identificar ejemplos de materia oscura, y la otra forma es estudiar la influencia gravitatoria de la materia oscura sobre el resto del Universo. Aunque no podemos ver la materia oscura, ésta interactúa con la materia normal y el tejido del espacio-tiempo a través de la gravedad. Y dado que existe una enorme cantidad de materia oscura en el Universo, puede ejercer un efecto gravitatorio en las escalas más grandes que no tiene comparación con la gravedad de la materia visible del Universo.

Una de las formas en que se manifiesta el efecto gravitatorio de la materia oscura es a través de las lentes gravitacionales. Las galaxias individuales, así como los enormes cúmulos de galaxias, están envueltos en un halo de materia oscura. La gravedad de estos halos de materia oscura deforma el espacio, creando un efecto de lente que hace que la luz de las galaxias de fondo se aumente, se distorsione e incluso se divida en múltiples imágenes.

Se espera que Rubin encuentre miles de lentes gravitacionales, tanto débiles como fuertes, de todos los tamaños y formas, y que trace filamentos de materia oscura de cientos de millones de años luz de longitud.

Las lentes gravitacionales fuertes —las que acaparan los titulares, con espectaculares imágenes múltiples o anillos de Einstein— son relativamente raras, ya que dependen de alineaciones precisas entre la galaxia de fondo, la lente y nosotros. Más comunes, pero más difíciles de encontrar, son los fenómenos de lentes débiles. Dado que la materia oscura está en todo el Universo, pero no es siempre tan densa como los halos que rodean a los cúmulos de galaxias, la mayoría de las líneas de visión del Universo atraviesan algo de materia oscura, lo que da lugar al efecto de lente débil en amplias zonas del cielo, donde un gran número de galaxias comparten las mismas sutiles distorsiones. Es poco probable que una sola galaxia muestre mucha distorsión como resultado de la lente, pero el análisis estadístico de muchas galaxias ayuda a construir una imagen de dónde se distribuye la materia oscura en todo el Universo.

Para obtener suficientes datos de galaxias que sustenten las estadísticas sobre lentes débiles se deberá cubrir gran parte del cielo, y ahí es donde entra Rubin. El campo de visión de 9,6 grados cuadrados de su Telescopio de 8 metros Simonyi Survey es fundamental para observar suficientes galaxias, pero no sólo para obtener información precisa, sino también para trazar un mapa de la materia oscura en todo el cielo visible de Rubin desde su ubicación austral en Cerro Pachón (Chile). Se espera que Rubin encuentre miles de lentes gravitacionales, tanto débiles como fuertes, de todos los tamaños y formas, y que trace filamentos de materia oscura de cientos de millones de años luz de longitud, formando hilos en la red cósmica de la materia. Y mientras más profundo miramos en el Universo, más atrás en el tiempo vemos, Rubin también podrá trazar cómo ha cambiado la distribución de la materia oscura a lo largo de la historia del Universo.

El centro del cúmulo de galaxias RXJ0152.7-1357 muestra muchas galaxias de color amarillo-anaranjado que son parte del cúmulo. Las numerosas rayas azules son galaxias azules distantes sometidas a lente gravitacional por la masa del cúmulo, que contiene una gran cantidad de materia oscura (se muestran en colores falsos).

Credit: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA.

Los objetivos de observación de Rubin son las muchas decenas de miles de millones de galaxias azules débiles de fondo en el Universo, que están siendo “amplificadas” por cúmulos de galaxias en primer plano y cúmulos de materia oscura. Estas galaxias de fondo extremadamente débiles están por todas partes, por lo cual se promedia que hay una galaxia azul distante por cada pocos segundos de arco de cielo.

Sólo Rubin tiene la sensibilidad, la potencia de captación de luz y el campo de visión para llevar a cabo esta tarea en una zona tan amplia del cielo.

Rubin tomará imágenes de estas galaxias en una serie de longitudes de onda, lo que permitirá a los astrónomos calcular los desplazamientos al rojo o redshifts fotométricos de las galaxias. Es decir, basándose en la cantidad de enrojecimiento de los colores de las galaxias, los astrónomos calcularán sus desplazamientos al rojo y, por tanto, estimarán la distancia a la que se encuentra cada galaxia y en qué época de la historia cósmica están. Una vez que los astrónomos conozcan los desplazamientos al rojo, cortarán el Universo en “rebanadas” finas equivalentes a las diferentes épocas de la historia cósmica para crear un mapa en 3D de la materia oscura que se remontará a unos 7 mil millones de años en el tiempo, aproximadamente la mitad del camino hasta el Big Bang.

Vera Rubin, astrónoma por quien se dio nombre al Observatorio Rubin, realizó las mediciones que confirmaron la existencia de materia oscura alrededor de las galaxias en los años 60-70. En la fotografía se encuentra en Kitt Peak en el año 1963.

Credit: NOIRLab.

Sólo Rubin tiene la sensibilidad, la potencia de captación de luz y el campo de visión para llevar a cabo esta tarea en una zona tan amplia del cielo.

Una vez cumplida su misión, los astrónomos dispondrán del mapa más completo de la materia oscura jamás elaborado. Mostrará dónde existe la materia oscura en el espacio y en el tiempo, y esto podrá correlacionarse con las ubicaciones de los lugares dónde se están formando las galaxias, o dónde están creciendo los cúmulos de galaxias. Esto permitirá a los astrónomos comprender mejor la relación entre la materia oscura y el crecimiento de la estructura en el Universo, y comprobar las predicciones sobre la cantidad de materia oscura que se espera que exista en el Universo. Proporcionará límites mucho más sólidos en cuanto a lo que la materia oscura podría ser realmente, y cómo interactúa con la materia y la gravedad en las escalas más grandes. En resumen, aunque Rubin no pueda decirnos exactamente qué es la materia oscura, sí nos dirá qué puede hacer la materia oscura.