Rastreo de la materia oscura a través del espectro y del cosmos

¿Sabías que… el 95% del Universo es completamente oscuro? La energía oscura representa alrededor del 68% y la materia oscura aproximadamente el 27%. Sólo un 5% del Universo –que incluye las estrellas, planetas y nosotros mismos– está compuesto de la materia atómica que conocemos.

En 1933, el astrónomo suizo-estadounidense Fritz Zwicky midió la masa visible de los integrantes de un cúmulo de galaxias, y descubrió que su atracción gravitacional mutua era insuficiente como para impedir la desintegración de las galaxias. Llegó a la conclusión que debía existir algún otro tipo de materia que actuara como un pegamento y mantuviese unida la estructura. Llamó a esta sustancia dunkle Materie, o materia oscura, pues era invisible para su telescopio.

DECam, la cámara digital de 570 megapíxeles de extrema sensibilidad, instalada en el Telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo, Chile. DECam tiene uno de los campos de visión más amplios que existen para obtener imágenes ópticas e infrarrojas desde tierra.

Credit: DOE/FNAL/DECam/R. Hahn/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

Más adelante, en 1978, los investigadores de la Carnegie Institution de Washington, Vera C. Rubin (mujer pionera en astronomía y el homónimo del Observatorio Vera C. Rubin) y su colega Kent Ford, vieron algo extraño en sus observaciones de la galaxia Andrómeda. En lugar del movimiento Kepleriano que observamos en nuestro Sistema Solar, donde los planetas interiores se desplazan más rápido que los planetas exteriores –según la Ley de Kepler–, Rubin y Ford descubrieron que las estrellas en las zonas exteriores de la galaxia giraban al unísono con las más cercanas al centro. Así, Rubin y Ford llegaron a la misma conclusión que Zwicky décadas atrás: deben existir grandes cantidades de materia invisible distribuida dentro y alrededor de las galaxias, y que las mantiene unidas. Aunque al principio, la comunidad astronómica se mostró reacia a aceptar esta conclusión, este fenómeno se observó en más y más galaxias hasta que ya no se pudo negar. El trabajo de Rubin resultó clave para fundar las bases del modelo del Universo que los astrónomos fueron construyendo desde entonces.

Estudios posteriores realizados por el satélite Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson de la NASA con receptores de microondas diseñados por el Laboratorio Central de Desarrollo del Observatorio Nacional de Radioastronomía no sólo apoyaron la existencia de la materia oscura, sino que además la cuantificaron. El Modelo Estándar de la Cosmología supone que el Universo, con toda su materia y energía, fue creado en un evento singular conocido como el Big Bang, que condujo a la expansión del Universo que está compuesto de más o menos un 5% de materia ordinaria, un 27% de materia oscura y un 68% de energía oscura. [Ver blog anterior que explora la tasa de expansión.] Con estas cantidades definidas, los astrónomos ahora intentan mapear la distribución de la materia –visible y oscura– para construir una imagen de la estructura del Universo. Ahora, un nuevo estudio ha permitido a los astrónomos dar un paso más en esta importante tarea.

Esta ilustración muestra cómo los astrónomos usan el lente gravitacional para estudiar galaxias tenues y distantes observando la distorsión de la luz emitida.

Credit: NASA, ESA & L. Calçada

Mapear la distribución de toda la materia del Universo no es tan sencillo como tomar una fotografía de 360 grados del cielo nocturno. Existe materia en los bordes del cosmos que nuestros telescopios no pueden ver, especialmente cuando deben observar a través de nubes de gas, polvo y otros desechos cósmicos. ¡Sin olvidar el hecho de que el 85% de la materia es invisible! Pero los astrónomos han desarrollado formas ingeniosas de sortear este obstáculo con la ayuda del Estudio de Energía Oscura (DES por sus siglas en inglés) y del Telescopio Polo Sur (SPT por sus siglas en inglés).

DES es un estudio del cielo austral que mapea la distribución de las galaxias utilizando la Cámara de Energía Oscura (DECam), fabricada por el Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos e instalada en el Telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), un Programa de NOIRLab de NSF, en Chile. Dado que la materia oscura mantiene las galaxias unidas, éstas actúan básicamente como señaléticas que dicen “¡Aquí hay materia oscura!”. Los efectos gravitatorios de la materia oscura también pueden curvar el espacio-tiempo. Por lo tanto, mediante DES, los astrónomos pueden observar la luz de galaxias distantes a medida que atraviesa regiones de materia oscura y medir la curvatura de la luz en su trayectoria: una técnica denominada lente gravitacional. Este método ha permitido a los astrónomos mapear la distribución de la materia oscura en el Universo cercano.

“Lo que descubrieron resultó sumamente positivo para el Modelo Estándar de la Cosmología, que asume que gran parte de la materia y energía del Universo están presentes en forma de materia y energía oscura”

Este mapa de la radiación de Fondo Cósmico de Microondas –marcada en el cielo cuando el Universo tenía 370.000 años– muestra pequeñas fluctuaciones de temperatura que corresponden a regiones con densidades ligeramente diferentes.

Credit: ESA and the Planck Collaboration

Sin embargo, a distancias muy grandes, las galaxias se vuelven cada vez más tenues e indetectables, lo que dificulta su uso para rastrear la distribución de la materia. Para ello, resulta muy útil el Telescopio Polo Sur (SPT); un telescopio submilimétrico de 10 metros situado en la estación polar Amudsen-Scott, Antártica, cuyo propósito es medir el fondo cósmico de microondas (CMB), un campo de radiación con un brillo tenue que abarca todo el espacio. Al igual que la luz de las galaxias que observa DES, la luz del CMB, conocida a veces como el “eco” del Big Bang, se ve perturbada por los efectos de la materia oscura, lo que provoca pequeñas distorsiones en el campo del CMB. Dado que el CMB se origina a distancias muy grandes, se puede utilizar el SPT para mapear la materia que está fuera del alcance de los estudios de galaxias como DES.

Por lo general, con el conjunto de datos obtenido con uno de estos estudios, los astrónomos extrapolan parámetros específicos sobre la estructura del Universo y los comparan con el modelo existente. Independientemente del resultado de esta comparación, sea bueno o malo, aún será difícil llegar a conclusiones concretas pues siempre existe la posibilidad de errores o sesgos. No obstante, con el estudio de DES y del SPT, Eric Baxter del Instituto de Astronomía de la Universidad de Hawai‘i y sus colaboradores de la Universidad de Chicago, Chihway Chang y Yuuki Omori, vieron una oportunidad única. DES observó principalmente el cielo del hemisferio sur, lo cual coincide con el área que observa el SPT. Aprovechando esta superposición, Baxter y sus colegas decidieron combinar los dos conjuntos de datos para ver posteriormente cómo coincidían con el modelo existente del Universo.

“El uso de múltiples conjuntos de datos reduce el margen de error, ya que es menos probable que dos conjuntos de datos separados sean incorrectos de igual forma”, señala Omori.

Baxter, Chang y Omori, junto con equipos internacionales integrados por cientos de colaboradores de DES y del SPT, combinaron los datos de tres años de observaciones de DES con el estudio del SPT, realizadas entre 2008 y 2011. Lo que descubrieron resultó sumamente positivo para el Modelo Estándar de la Cosmología, que asume que gran parte de la materia y energía del Universo están presentes en forma de materia y energía oscura.

“Resulta interesante que, con dos telescopios y técnicas de observación diferentes –un telescopio de imágenes ópticas en Chile que observa galaxias y un telescopio de ondas milimétricas en el Polo Sur que observa la luz más antigua después del Big Bang– podemos extraer el mismo mensaje del Universo, consistente con el Modelo Estándar de la Cosmología”, dice Omori.

“Con la potencia de estos dos métodos, y dos conjuntos de datos, los astrónomos pueden festejar, al confirmarse que el actual modelo del Universo va por buen camino”

Esta imagen ilustra diversas fuentes de luz, y la curvatura de sus trayectorias (izquierda), y tres tipos de comparaciones que involucran lente de CMB (derecha), utilizados en este estudio para extraer información cosmológica.

Credit: Yuuki Omori

Al combinar datos de estos estudios tan diferentes no sólo se aumenta el volumen del Universo que se puede explorar, sino también se establecen restricciones al modelo, evitando los riesgos creados por el uso de un solo método. Y con la potencia de estos dos métodos, y dos conjuntos de datos, los astrónomos pueden festejar, al confirmarse que el actual modelo del Universo va por buen camino.

Sin embargo, pueden estar apareciendo grietas en este modelo. Curiosamente, el análisis conjunto de los estudios de DES y del SPT corrobora afirmaciones anteriores, es decir, que los cálculos de distribución de la materia en el Universo cercano muestran fluctuaciones menores a las esperadas según el Modelo Estándar de la Cosmología.

Se requerirán más datos para determinar si los indicios de errores dentro del Modelo Estándar de la Cosmología son reales o una mera casualidad. Afortunadamente, DES cuenta con tres años de datos aún por analizar. Asimismo, el SPT está realizando un nuevo estudio del CMB con una sensibilidad enormemente mejorada. Un tercer telescopio, el Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT por sus siglas en inglés), también está realizando un nuevo estudio de alta sensibilidad del CMB. Al combinar estos conjuntos de datos nuevos y mejorados, Baxter y sus colegas esperan acotar aún más el Modelo Estándar de la Cosmología en un futuro cercano.