Sale el más preciso mapa de la distribución de la materia oscura en el Universo

El mapeo del Dark Energy Survey cubre alrededor de 1/30 del cielo. Y muestra la distribución de este tipo de materia en esa región

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La materia conocida (denominada “bariónica”) corresponde a tan sólo el 5% del contenido del Universo. Otro 25% está constituido por la desconocida materia oscura. Y el 70%, por la aún más enigmática energía oscura. Estos porcentajes (expresados aquí en valores redondeados), que habían sido establecidos en estudios anteriores, se han confirmado ahora, y con una notable convergencia numérica, en el marco del Dark Energy Survey (DES).

Este estudio, llevado a cabo mediante a una colaboración internacional, consiste en un mapeo del Universo a gran escala, que rastreará una área equivalente a un octavo del cielo (5 mil grados cuadrados) y recabará datos sobre más de 300 millones de galaxias, 100 mil conglomerados de galaxias y 2 mil estrellas supernovas, además de millones de estrellas de la Vía Láctea y objetos del Sistema Solar.

La colaboración se puso en marcha en 2013 y está previsto que siga hasta 2018. Y acaba de dar a conocer los datos sistematizados de su primer año de trabajo. Dichos datos permitieron la elaboración de un mapa compuesto por 26 millones de galaxias, que cubre alrededor de 1/30 del cielo y exhibe la distribución heterogénea de la materia oscura en una franja de miles de millones de años luz de extensión.

Otro destacado en el material que difundió la colaboración indica que los datos sistematizados del primer año son coincidentes con la interpretación más sencilla acerca de la naturaleza de la energía oscura. Según dicha interpretación, este misterioso ingrediente, que hace que la expansión del Universo se esté acelerando en lugar de retardarse, sería la energía del vacío. Y correspondería a la constante cosmológica (Λ), inicialmente postulada y después dejada de lado por Einstein. De acuerdo con este modelo, la cantidad total de esa energía aumenta como consecuencia de la propia expansión, pero su densidad se mantiene constante en el espacio y en el tiempo.

Sin embargo, el tema de la naturaleza de la energía oscura permanece abierto. Y no puede descartarse la posibilidad de que datos ya recabados, pero aún en fase de sistematización, o que se puedan obtener hasta el final del estudio, desfavorezcan esta interpretación en beneficio de otras, más sofisticadas.

El DES está encabezado por el Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory), de Estados Unidos, y reúne a más de 400 investigadores de diversos países, entre ellos varios científicos brasileños. La participación brasileña, que se concreta en el marco de un consorcio denominado DES-Brazil, cuenta con la coordinación del Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomía (LIneA), con sede en Río de Janeiro. El LIneA desarrolló también un portal específico para el DES y coordina también la participación brasileña en el Large Synoptic Survey Telescope (LSST), que sucederá al DES y que ya se encuentra en construcción en Chile.

En el estado de São Paulo, se encuentran al frente de las investigaciones Rogério Rosenfeld, exdirector del Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) y vicecoordinador del INCT del e-Universo, Marcos Lima, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP) y Flavia Sobreira, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (Unicamp), todos con el apoyo de la FAPESP.

“La región mapeada en el DES durante su primer año de actividad fue la mayor área contigua de cielo que se haya observado hasta ahora en un mismo estudio. Para ello se utilizó una cámara digital de altísima resolución llamada Decam (Dark Energy Camera), de 570 megapíxeles, instalada en el plano focal del telescopio de 4 metros de diámetro del Observatorio Internacional de Cerro Tololo, en Chile”, informó Rosenfeld a Agência FAPESP.

“Millones de galaxias se fotografiaron utilizando cinco filtros distintos, de manera tal de propiciar la medición de su brillo en cinco ventanas del espectro visible, cada una de ellas definida por un rango de longitudes de onda. Así fue posible estimar sus redshifts [desplazamientos hacia el rojo de la luz emitida]”, añadió el investigador.

Aquí cabe una explicación. Tal como lo descubrió el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953), cuyo nombre fue a parar al telescopio espacial aún operante, el Universo se encuentra en expansión. Y la velocidad con que las galaxias lejanas se apartan del observador terrestre es tanto mayor cuanto más distantes se encuentren. Este alejamiento hace que la luz que emiten las galaxias se desplace hacia el rojo, es decir, hacia la banda de mayor longitud de onda. Y que ese desvío hacia el rojo aumente con la distancia. Este fenómeno obedece al llamado Efecto Doppler, el mismo que hace que el sonido de la sirena de un vehículo se vuelva más agudo cuando se acerca y más grave cuando se aleja.

Por medio del redshift, y valiéndose de la Ley de Hubble, los astrónomos calculan las distancias de los objetos observados. Para ello recurren fundamentalmente a la espectroscopía, es decir, a la descomposición de la luz en su espectro de frecuencias. La espectroscopía permite determinar con mucha exactitud el desplazamiento de las bandas del espectro hacia el rojo. Pero se vuelve prácticamente inviable en un mapeo como el del DES, que comprende la observación de entre decenas y centenas de millones de galaxias. Aunque no tenga la misma precisión de la espectroscopía, la fotometría, esto es, la medición de la intensidad de la luz en diferentes filtros, constituye un método alternativo en este caso. Lo que se pierde en calidad se compensa con creces al ganarse en cantidad.

“Asimismo, la fotometría no sólo informa el redshift, y por ende, la distancia de la galaxia observada. Informa también su formato. Y esta determinación del formato es sumamente importante, porque uno de los efectos de la materia en el Universo es la creación de lentes gravitacionales, que distorsionan levemente la luz que reciben desde fuentes distantes. De este modo, por medio de la fotometría, el DES está llevando adelante el mapeo tanto de la distribución de las galaxias como de la ligera distorsión de sus formas producida por el llamado ‘efecto de lente gravitacional débil’. A través de este efecto, es posible mapear toda la materia existente en el espacio comprendido entre las fuentes emisoras de luz y nosotros, tanto la materia luminosa como la mucho más abundante materia oscura”, enfatizó Rosenfeld. La combinación de las mediciones de la distribución de las galaxias con las del efecto de lente gravitacional débil resultó en estimaciones precisas de las propiedades del Universo.

A diferencia del “efecto de lente gravitacional fuerte”, capaz de generar múltiples imágenes del mismo objeto e incluso arcos o anillos, el “efecto de lente gravitacional débil” produce distorsiones extremadamente sutiles, del orden del 1% en las posiciones y en las formas de las galaxias observadas. Y son dichas distorsiones las que están permitiendo elaborar un mapa sumamente preciso de la distribución de la materia oscura.

La investigadora Flavia Sobreira resumió el historial de este mapeo: “La esfera celeste, es decir, todo el cielo observable desde la Tierra, posee una área de alrededor de 40 mil grados cuadrados. El objetivo del DES consiste en mapear un octavo de esa área, es decir, 5 mil grados cuadrados. Durante el primer año de actividad, se mapeó 1/30 del área total. Para ello construimos la cámara Decam, que posee una definición fuera de lo común, y utilizando cinco filtros diferentes compusimos un catálogo de galaxias. Registramos las formas de las galaxias del catálogo y medimos las distorsiones producidas en ellas por el campo gravitacional existente en el espacio atravesado por la luz que emiten esos objetos. Como el campo gravitacional es generado por materia, este procedimiento permitió elaborar un mapa de la distribución de la materia. Y al sustraer la materia luminosa, se pudo llegar a la distribución de la materia oscura en la franja observada”, dijo.

La evolución cósmica

Para entender la contribución gravitacional de la materia oscura a la estructuración del Universo, resulta interesante hacer referencia, si bien que en forma muy resumida, el modelo más aceptado sobre la evolución cósmica.

Según dicho modelo, el Universo tuvo un “comienzo” extremadamente caliente y denso. A medida que se expandió, su temperatura y su densidad disminuyeron. La materia oscura, debido a que interactúa muy débilmente, pronto dejó de intercambiar energía con los otros componentes (o “se desacopló”, tal como los físicos prefieren decir), en tanto que el resto del contenido siguió acoplado en un plasma caliente de bariones (que constituyen la materia conocida) y fotones (que constituyen la radiación electromagnética). Este acoplamiento prosiguió hasta que la expansión tornó a las distancias entre los componentes del plasma lo suficientemente grandes como para que los fotones dejaran de interactuar con la materia bariónica y pasasen a viajar libremente por el espacio.

Este segundo desacoplamiento, denominado “recombinación”, habría ocurrido unos 400 mil años después del Big Bang. Libre de la presión de los fotones, la materia bariónica empezó entonces a aglutinarse alrededor de las regiones con mayor potencial gravitacional, es decir, aquéllas que poseían una mayor densidad de materia oscura. De este modo, la materia oscura actuó como “atractora gravitacional” para que las primeras estructuras empezasen a producirse.

Los fotones desacoplados actualmente componen la radiación cósmica de fondo, observada en el rango de las microondas, mientras que la materia bariónica formó nubes de gas, estrellas, planetas y galaxias. La observación de la radiación cósmica de fondo, realizada por los satélites COBE (Nasa, 1989-1993), WMAP (Nasa, 2001-2010) y Planck (ESA, 2009-2013), suministró la “fotografía” de un universo muy joven, con tan sólo 400 mil años de edad, al tiempo que la observación de la distribución de galaxias, realizada ahora en el marco del DES, suministra la “fotografía” de un universo miles de millones de años más viejo. Lo notable es que esas dos “fotografías” son totalmente compatibles. “Combinados con otras observaciones, los datos suministrados por ambos mapas, que registran objetos diferentes, permiten llegar a los mismos números”, subrayó Sobreira.

La naturaleza de la materia oscura constituye un punto de interrogación. “Existe casi un consenso en el seno de la comunidad científica que apunta que se trata de un tipo distinto de partícula elemental, que no posee carga eléctrica, y que por este motivo no interactúa con la radiación electromagnética. Como no interactúa con la luz, sería más correcto denominarla ‘transparente’ en lugar de ‘oscura’. En el DES se trabaja con la hipótesis de que la materia oscura estaría constituida por ‘partículas frías’ (cold dark matter). La palabra ‘frías’, en este caso, significa sencillamente que esas partículas no tendrían velocidades relativistas [cercanas a la de la luz]. Pero existen otras hipótesis, como la de las ‘partículas tibias’ (warm dark matter). Yo tengo una alumna, Jéssica Martins, que trabaja con esta segunda hipótesis”, afirmó Rosenfeld.

Cabe mencionar en este caso a otro alumno dirigido por Rosenfeld que se destacó en el mapeo del DES. Se trata de Nickolas Kokron, alumno de iniciación a la investigación científica con beca de la FAPESP. “Existen dos maneras de estudiar la distribución de las galaxias. Una se hace en el espacio real. La otra, en el espacio de Fourier. Nickolas está trabajando en las mediciones de la distribución en el espacio de Fourier, que suministran el llamado ‘espectro de potencia angular’. Se ha recibido ahora y prácticamente está liderando los trabajos en el área”, comentó su director.

Los datos sistematizados del primer año del estudio y ahora divulgados por el DES permitieron determinar con bastante exactitud el porcentaje de materia oscura, pero no su naturaleza. Ni siquiera es probable que el mapeo durante cinco años contribuya a eso. “El motivo de esto es que la naturaleza de la materia oscura, que se manifiesta en la intensidad de sus autointeracciones y en la masa de sus partículas, tendría efecto a escalas menores. Es sumamente complicado arribar a algún resultado conclusivo con un estudio a gran escala”, ponderó Marcos Lima. “Eso sí, lo que este mapeo ya ha mostrado es que los datos coinciden con el modelo más sencillo de energía oscura. Y éste es un tema que quizá el DES resuelva totalmente”, añadió.

Aunque los resultados son todavía bastante parciales, los datos del primer año han permitido determinar con mucha precisión la cantidad de energía oscura. Y esto se concretó con base en la distribución en el mapa de las galaxias más cercanas, y del efecto de lente que las mismas causan en galaxias lejanas. Pues sucede que cuanto mayor es el porcentaje de energía oscura, más rápida es la expansión y, por consiguiente, menor es la cantidad de estructuras formadas, toda vez que las estructuras se forman por atracción gravitacional, y la rápida expansión inducida por la energía oscura se contrapone a la atracción gravitacional que causa tal formación. “Vinculando la cantidad de estructuras obtenidas por el DES con mediciones anteriores, realizadas en el marco de otros experimentos, fue posible confirmar con suma precisión el porcentaje del 70% para el contenido de energía oscura”, afirmó el investigador.

“Ahora se espera poder vincular también otra propiedad de la energía oscura, que es su ecuación de estado, definida como la razón entre su presión y su densidad. Con mediciones precisas tanto de la densidad como de la ecuación de estado de la energía oscura, será posible inferir también la naturaleza de este componente. Porque distintos modelos acerca de la naturaleza de la energía oscura llevan a diferentes predicciones numéricas de su efectos en la expansión y en la formación de estructuras”, explicó Lima.

La próxima gran síntesis que divulgará la colaboración unificará los datos recolectados durante los tres primeros años. Y ya se están procesando los datos del cuarto año. “Pero incluso con relación a los datos del primer año, aún no se han efectuado todos los análisis. Sólo se analizaron los datos referentes a la distribución de galaxias y a las lentes gravitacionales. Hay datos sobre supernovas y sobre conglomerados de galaxias que se encuentran en etapa de análisis”, acotó Lima.

Esto es un indicio de la posibilidad de que pronto se anuncien novedades importantes. Las observaciones de supernovas suministrarán información aún más precisa sobre la energía oscura, pues permiten verificar de manera casi directa el valor de la tasa de expansión del Universo. Cabe recordar que al utilizar supernovas como marcadores, el Supernova Cosmology Project y el High-z Supernova Search Tean descubrieron a finales de la década de 1990 que la expansión del Universo estaba acelerándose. Los estadounidenses Saul Perlmutter y Adan Riess y el australiano Brian Schmidt recibieron el Premio Nobel de Física en 2011 por este descubrimiento.

¿Dónde puede llevar todo esto? “La energía oscura no es la única explicación posible para la aceleración de la expansión del universo. Otra posibilidad es que la propia comprensión de la gravitación deba alterarse. Así como Einstein generalizó la teoría gravitacional de Newton, ahora se discute si no sería necesario generalizar la teoría de Einstein, e ir más allá de la relatividad general, rumbo a las llamadas ‘teorías de gravedad modificadas’. Estas dos explicaciones, la energía oscura y la gravedad modificada, establecen predicciones muy distintas acerca de cómo se expande el universo y, fundamentalmente, sobre cómo crecen las perturbaciones en ese universo en expansión. Los datos divulgados son totalmente coincidentes con la interpretación de la energía oscura como constante cosmológica, que es el modelo más sencillo de todos, con ecuación de estado exactamente igual a (-1). Pero no se excluyen otras posibilidades”, finalizó Lima.