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El mapa en 3D del Universo que está levantando DESI ya está al 10%

Hasta hace no tantos años la idea que teníamos cualquiera del Universo era un tanto vaga. Era similar a la que podrían tener del mundo los babilonios de la antigüedad, pues en esa época no había mapas mundi. Incluso para los Europeos, la geografía interior de África era una incógnita hasta bien entrado el siglo XIX. Si ahora nos piden que nos imaginemos el mundo podemos visualizar en nuestra mente una esfera con unos continentes bien definidos.

Con el Universo ha pasado un poco lo mismo. No hemos tenido un mapa parcial del Universo, ni siquiera del Universo cercano, hasta hace poco.

El problema fundamental es que para levantar mapas de África pudimos ir a África, pero no podemos dejar la Tierra e ir a otro punto del Universo. Además, es relativamente fácil hacer un mapa de la situación en el cielo de las distintas galaxias que podamos ver, pero saber a qué distancia están cada una de ellas, y por tanto poder tener una representación 3D del Universo, es mucho más difícil.

Para medir distancias a las galaxias hay que tomar espectros de todas ellas y calcular su corrimiento al rojo cosmológico. Además, no las vemos como son ahora, sino como eran en distintos momentos del pasado. Cuando más lejos esté la galaxia más atrás en el tiempo la vemos. Y durante todo ese tiempo transcurrido desde el Big Bang, el Universo ha estado expandiéndose y, por tanto, cambiando.

Por último, aunque dispongamos de muchos telescopios y mucho tiempo de telescopio con todos ellos, habrá áreas del cielo que no podamos estudiar, fundamentalmente porque nos las tapa nuestra propia galaxia.

En cualquier caso, levantar un mapa 3D (¿cronomapa 3D?) del Universo nos permite saber o contrastar muchas cuestiones cosmológicas, como el comportamiento de la energía oscura. Además, nos permite, estudiando la estructura a gran escala del Universo, saber cómo de buenos son nuestros modelos cosmológicos, pues cada uno predice cierta estructura a gran escala que, si el modelo es correcto, debe coincidir con lo real, con lo observado.

Ha habido diversos proyectos que han tratado de levantar mapas de este tipo, como la campaña Sloan. Los responsables del último de ellos, que se denomina DESI (instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, por sus siglas en inglés), acaban de hacer públicos los primeros datos. El proyecto tiene una duración de 5 años en principio, pero de momento solamente se ha realizado un 10% del trabajo estimado.

Una vez complete su misión, el mapa 3D resultante será extremadamente detallado y proporcionará una mejor comprensión de la energía oscura y, por tanto, una mejor comprensión del pasado y el futuro del Universo.

Mientras tanto, el impresionante rendimiento técnico y los logros de esta campaña de observación está ayudando a los científicos a desvelar los secretos de las fuentes de luz más poderosas del Universo.

DESI es una colaboración científica internacional administrada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía con financiación para la construcción y operaciones de la Oficina de Ciencias del DOE.

Los científicos de DESI dieron a conocer el rendimiento del instrumento y algunos de los primeros resultados hace unos días en un seminario web organizado por Berkeley Lab llamado CosmoPalooza, que también incluye resultados nuevos de otros experimentos en Cosmología.

«Hay mucha belleza en ello. En la distribución de las galaxias en el mapa 3D, hay enormes cúmulos, filamentos y vacíos. Son las estructuras más grandes del Universo. Pero dentro de ellas, encuentras una huella del Universo primitivo y la historia de su expansión desde entonces», dice Julien Guy (Berkeley Lab).

DESI fue propuesto originalmente hace más de una década, la construcción del instrumento comenzó en 2015. Se instaló en el telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall en el Observatorio Nacional Kitt Peak, cerca de Tucson (Arizona). El instrumento vio la luz por primera vez a finales de 2019. Luego, durante su fase de validación, llegó la pandemia de coronavirus y hubo que cerrar el telescopio durante varios meses, aunque algunos trabajos continuaron de forma remota. En diciembre de 2020, DESI volvió a mirar al cielo, se probó su hardware y software y en mayo de 2021 ya estaba listo para comenzar su campaña de observación.

Observar las galaxias una a una sería absurdo y se tardaría muchísimos años en completar un mapa decente, así que este instrumento, como muchos otros, usa un haz de fibras ópticas cuyas entradas tienen que ser posicionadas en el plano focal del telescopio en donde aparecen galaxias. De este modo, se pueden obtener muchos espectros a la vez.

Se necesitan 5000 brazos robóticos de última generación para posicionar las fibras ópticas, tarea que se realiza con una precisión de 10 micras, distancia que es menor que el grosor de un cabello humano.

Este nivel de precisión es necesario para cumplir con la tarea principal de la campaña, que es recopilar espectros y posiciones de millones de galaxias en más de un tercio de todo el cielo. Al descomponer la luz de cada galaxia en su espectro, DESI puede determinar cuánto se ha corrido hacia el rojo la luz de cada una de ellas debido a la expansión del Universo en los últimos miles de millones de años. Son precisamente estos desplazamientos al rojo los que permiten establecer la profundidad del cielo a la que se encuentran esas galaxias, pues cuanto más desplazado hacia el rojo está el espectro de una galaxia más lejos está esta.

La forma de representar el mapa se puede hacer con un barrido en una de las dimensiones. El mapa tiene ahora forma de quesito, con el vértice situado en nuestra galaxia. No hay centro del Universo, pero la única forma de representarlo es colocándonos a nosotros en el mismo, pues representamos el universo visible, que nosotros vemos.

Con un mapa 3D del cosmos, los físicos pueden situar cúmulos y supercúmulos de galaxias. Estas estructuras contienen todavía ecos de su formación inicial, cuando eran solo ondas en el plasma de cosmos primitivo. De esto modo, los físicos pueden usar estos datos de DESI para determinar la historia de la expansión del Universo.

Comprender la historia de la expansión es crucial, ya que está en juego nada menos que saber el destino final de todo el Universo. En la actualidad, alrededor del 70% del contenido del Universo es energía oscura, una forma de energía de naturaleza aún desconocida que está acelerando la expansión del Universo.

A medida que el Universo se expande, surge más energía oscura al estar asociada al espacio existente, lo que acelera aún más la expansión en un ciclo de retroalimentación, siendo cada vez mayor el porcentaje de energía oscura.

La energía oscura determinará en última instancia el destino final del Universo: ¿se expandirá para siempre? ¿Volverá a colapsar sobre sí mismo? ¿O se desgarrará? Puede que esta energía oscura sea más que una constante cosmológica o, por el contrario, sea algo distinto que va cambiando en el tiempo. Es decir, todo depende de la naturaleza de la energía oscura. Responder estas preguntas significa aprender más sobre cómo se ha comportado la energía oscura en el pasado o cuál es su naturaleza y esto es exactamente para lo que está diseñado DESI. Al comparar la historia de la expansión con la historia del crecimiento, los cosmólogos pueden verificar si la Teoría General de la Relatividad de Einstein describe el cosmos en estos inmensos lapsos de espacio y tiempo.

Pero comprender el destino del Universo tendrá que esperar hasta que DESI haya completado su campaña. Mientras tanto, DESI ya está impulsando avances en nuestra comprensión del pasado de hace más de 10 mil millones de años, cuando las galaxias eran aún jóvenes.

Según Ragadeepika Pucha (Universidad de Arizona) DESI nos proporcionará más información sobre la física de la formación y evolución de galaxias. Pucha y sus colegas están utilizando datos DESI para comprender el comportamiento de los agujeros negros de masa intermedia en galaxias pequeñas.

Se cree que hay enormes agujeros negros en los núcleos de casi todas las galaxias grandes, como en nuestra propia Vía Láctea. Pero aún no se sabe si las galaxias pequeñas contienen siempre sus propios agujeros negros. Los agujeros negros por sí solos pueden ser casi imposibles de encontrar, pero si atraen suficiente material, se vuelven más fáciles de detectar.

Cuando el gas, el polvo y otros materiales que caen en el agujero negro se calientan (a temperaturas más altas que el núcleo de una estrella) en su camino y se forma un núcleo galáctico activo (NGA). En las galaxias grandes, los NGA se encuentran entre los objetos más brillantes del universo conocido. Pero en galaxias más pequeñas, los NGA pueden ser mucho más débiles y más difíciles de distinguir de las estrellas recién nacidas. Los espectros tomados por DESI pueden ayudar a resolver este problema. Esos núcleos, a su vez, darán a los científicos pistas sobre cómo se formaron los NGA brillantes en el universo muy primitivo.

Los quasars, una variedad particularmente brillante núcleos activos de galaxias, se encuentran entre los objetos más brillantes y distantes que se conocen. «Me gusta pensar en ellos como faros, mirando hacia atrás en el tiempo en la historia del Universo», dice Victoria Fawcett (Universidad de Durham). Los datos de DESI retrocederán en el tiempo hasta en 11 mil millones de años.

Fawcett y sus colegas están utilizando datos DESI para comprender la evolución de los propios quasars. Se cree que los quasars comienzan rodeados por una nube de polvo, que enrojece la luz que emiten, como el sol a través de la atmosfera cuando se está poniendo. A medida que envejecen, se elimina este polvo y se vuelven más azules. Pero ha sido difícil demostrar esta teoría debido a la escasez de datos sobre los quasars rojos. DESI está cambiando el panorama, pues ha encontrando más quasars que cualquier campaña anterior. Se espera que logre encontrar 2,4 millones de quasars al final de la campaña.

DESI detecta objetos mucho más débiles y mucho más rojos, lo que permite a los científicos poner a prueba ideas sobre la evolución de los quasars que simplemente no se podía hacer antes. Incluso se están encontrando una gran cantidad de sistemas exóticos y objetos raros que todavía no se han estudiado en detalle.

DESI ya ha catalogado más de 7,5 millones de galaxias y está añadiendo más más de un millón cada mes al catálogo. Para el final del proyecto, en 2026, se espera que haya más de 35 millones de galaxias en su catálogo, lo que permitirá una enorme variedad de investigación en Cosmología y Astrofísica.

«Todos estos datos están ahí y están esperando a ser analizados. Más tarde encontraremos muchas cosas asombrosas sobre las galaxias. Para mí, eso es emocionante», dice Pucha.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Imagen: DESI.