El universo oscuro
Catálogo de galaxias simuladas insignia de Euclid
La misión Euclid de la ESA está configurada para proporcionar una ventana única a la evolución de nuestro Universo de 13.800 millones de años. Trazará un mapa de la historia de la estructura del Universo mediante el estudio de miles de millones de galaxias. De esta forma, podrá sondear la naturaleza de la materia oscura invisible, que se da a conocer por las fuerzas que ejerce sobre la materia ordinaria, y la misteriosa energía oscura que impulsa la expansión acelerada del Universo.
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| Catálogo de galaxias simuladas insignia de Euclid |
Con el fin de prepararse para la enorme y compleja avalancha de mediciones, los equipos de científicos de Euclid han creado el catálogo de galaxias simuladas más grande jamás producido, el catálogo de galaxias simuladas Euclid Flagship.
Se basa en una simulación de supercomputadora sin precedentes de dos billones de partículas de materia oscura y contiene más de dos mil millones de galaxias distribuidas en el espacio 3D que Euclid estudiará.
La simulación reproduce con exquisita precisión el surgimiento de la estructura a gran escala del Universo: galaxias y cúmulos de galaxias dentro de la tenue red de la red cósmica que comprende tanto la materia oscura como la "normal".
La simulación también imita las propiedades complejas que muestran las fuentes reales, como sus formas, colores y luminosidades, así como las distorsiones de "lentes gravitacionales" que afectan la luz emitida por galaxias distantes cuando viaja hacia nosotros.
En esta imagen se muestra un extracto de la simulación, que abarca desde el Universo local actual (izquierda) hasta cuando tenía unos 3.000 millones de años (derecha), cuando los cúmulos de galaxias comenzaban a formarse.
Acercar proporciona detalles cada vez más finos. Las galaxias centrales, que pueblan el centro de los "halos" de materia oscura, son de color verde. Las galaxias satélite, que residen en los halos más masivos en los picos de mayor densidad de la materia oscura subyacente, se indican en rojo.
Armados con este nuevo universo virtual, los científicos podrán prepararse mejor para la misión y eventualmente evaluar su desempeño. Además, será una herramienta esencial para desarrollar el procesamiento de datos y el software de análisis científico necesarios para una misión con tanta cantidad de datos.
El lanzamiento del catálogo de galaxias simuladas fue anunciado por Euclid Consortium el 7 de junio.
La simulación fue desarrollada en la supercomputadora Piz Daint, organizada por el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza, por un equipo de científicos de la Universidad de Zúrich dirigido por Joachim Stadel. Los equipos que construyeron el catálogo resultante tienen su base en el Institut de Ciències de L'Espai (ICE, IEEC-CSIC) y Port d'Informació Científica (PIC) en Barcelona, en colaboración con el Grupo de Trabajo de Simulaciones Cosmológicas liderado por Pablo Fosalba (ICE , IEEC-CSIC) y Romain Teyssier (Universidad de Zurich).
Crédito: J. Carretero (PIC), P. Tallada (PIC), S. Serrano (ICE) y el SWG de Simulaciones Cosmológicas del Consorcio Euclid
La misión Euclid
La misión Euclid tiene como objetivo descubrir los misterios del Universo oscuro. Esta parte invisible del cosmos que suena siniestra constituye más del 95% de la masa y la energía de nuestro Universo. ¿Pero, qué es esto?
El lado luminoso del Universo
Tú y yo, todo lo que podemos tocar y oler, y todos los planetas, lunas y estrellas están hechos de materia "normal". La materia normal consiste en las partículas elementales descritas en el famoso Modelo Estándar de física de partículas. Esto incluye quarks y electrones, que juntos forman átomos.
Sabemos que la materia normal atrae a otra materia normal, dependiendo de la masa que tenga, a través de la gravedad. Esta fuerza explica por qué las manzanas caen hacia la Tierra. También explica por qué la Tierra gira alrededor del Sol y el Sol orbita alrededor del centro de la Vía Láctea.
Sorprendentemente, la materia normal resulta ser solo una pequeña fracción de lo que contiene el Universo. El 95% del Universo está formado por materia oscura y energía oscura. Estas son palabras que los astrónomos han ideado para dar un nombre al lado misterioso e invisible del Universo.
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| Mientras que la misteriosa materia oscura y la energía oscura constituyen aproximadamente el 25 y el 70 por ciento de nuestro cosmos, respectivamente, la materia ordinaria que compone todo lo que vemos, desde estrellas y galaxias hasta planetas y personas, asciende a solo alrededor del cinco por ciento. Sin embargo, las estrellas en las galaxias de todo el Universo solo constituyen alrededor del siete por ciento de toda la materia ordinaria. El gas interestelar frío que impregna las galaxias, la materia prima para crear estrellas, asciende a aproximadamente el 1,8 por ciento del total, mientras que el gas caliente y difuso en los halos que rodean las galaxias representa aproximadamente el cinco por ciento, y el gas aún más caliente que llena los cúmulos de galaxias. – las estructuras cósmicas más grandes unidas por la gravedad – representan el cuatro por ciento. Esto no es sorprendente: las estrellas, las galaxias y los cúmulos de galaxias se forman en los nudos más densos de la red cósmica, la distribución filamentosa de materia tanto oscura como ordinaria que se extiende por todo el Universo. Si bien estos sitios son densos, también son raros, por lo que no son los mejores lugares para buscar la mayor parte de la materia cósmica. La mayor parte de la materia ordinaria del Universo, o bariones, debe estar al acecho en los filamentos ubicuos de esta red cósmica, donde la materia es, sin embargo, menos densa y, por lo tanto, más difícil de observar. Usando diferentes técnicas a lo largo de los años, pudieron ubicar una buena parte de este material intergaláctico, principalmente su componente frío (también conocido como bosque Lyman-alfa, que representa alrededor del 28 por ciento de todos los bariones) y su componente cálido (alrededor del 15 por ciento). por ciento). Después de dos décadas de observaciones, los astrónomos que utilizan el observatorio espacial XMM-Newton de la ESA han detectado el componente caliente de este material intergaláctico a lo largo de la línea de visión de un cuásar distante. La cantidad de gas intergaláctico caliente detectado en estas observaciones asciende hasta el 40 por ciento de todos los bariones del Universo, cerrando la brecha en el presupuesto general de materia ordinaria en el cosmos. Crédito: ESA |
Materia oscura
Al estudiar muchas galaxias diferentes, los científicos descubrieron que las estrellas en las galaxias se mueven más rápido alrededor de sus centros galácticos de lo que podría explicar la materia que vemos. Por sí sola, la materia normal no sería capaz de crear suficiente gravedad para mantener unidas a estas galaxias. No es una diferencia pequeña: ¡la masa faltante de una galaxia típica es diez veces mayor que la masa de sus estrellas visibles!
Los científicos también pueden decir que hay algún material desconocido en el espacio entre las galaxias, porque su atracción gravitacional influye en el camino de la luz de las estrellas que viaja hacia la Tierra. La materia puede actuar como una lupa, doblando y distorsionando la luz de las galaxias y los cúmulos detrás de ella. Este efecto se llama lente gravitacional.
Años de extensas observaciones han demostrado que la falta de gravedad no es causada por materia normal difícil de ver, como por ejemplo átomos de hidrógeno fríos. En cambio, los astrónomos deben mirar más allá de lo que se conoce.
Llamamos a la masa que falta "materia oscura" porque parece que solo interactúa con la luz y la materia normal a través de la gravedad. Los experimentos más precisos hasta ahora no han encontrado evidencia de ninguna otra interacción. Y a pesar de décadas de investigación, todavía no sabemos de qué está hecha la materia oscura.
Euclid hará observaciones detalladas del Universo para inferir cómo se distribuye la materia oscura. Determinará cómo cambió la estructura de la materia en el Universo con el tiempo y medirá los efectos de lentes gravitacionales. Esto nos enseñará sobre el comportamiento de este componente misterioso y proporcionará nuevas pistas sobre su identidad.
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| El Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA ha producido la imagen infrarroja más profunda y nítida del Universo distante hasta la fecha. Conocida como el primer campo profundo de Webb, esta imagen del cúmulo de galaxias SMACS 0723 está repleta de detalles. Miles de galaxias, incluidos los objetos más débiles jamás observados en el infrarrojo, han aparecido a la vista de Webb por primera vez. Esta porción del vasto Universo es aproximadamente del tamaño de un grano de arena sostenido con el brazo extendido por alguien en el suelo. Este campo profundo, tomado por la cámara de infrarrojo cercano de Webb (NIRCam), es un compuesto hecho de imágenes en diferentes longitudes de onda, con un total de 12,5 horas, logrando profundidades en longitudes de onda infrarrojas más allá de los campos más profundos del telescopio espacial Hubble, lo que tomó semanas. La imagen muestra el cúmulo de galaxias SMACS 0723 tal como apareció hace 4600 millones de años. La masa combinada de este cúmulo de galaxias actúa como una lente gravitatoria, magnificando galaxias mucho más distantes detrás de él. La NIRCam de Webb ha enfocado nítidamente esas galaxias distantes: tienen estructuras diminutas y tenues que nunca antes se habían visto, incluidos cúmulos de estrellas y características difusas. Los investigadores pronto comenzarán a aprender más sobre las masas, las edades, las historias y las composiciones de las galaxias, ya que Webb busca las galaxias más antiguas del Universo. Primero, concéntrese en las galaxias responsables de la formación de lentes: la galaxia elíptica blanca brillante en el centro de la imagen y las galaxias blancas más pequeñas en toda la imagen. Unidos por la gravedad en un cúmulo de galaxias, están desviando la luz de las galaxias que aparecen en las grandes distancias detrás de ellos. La masa combinada de las galaxias y la materia oscura actúa como un telescopio cósmico, creando imágenes ampliadas, distorsionadas y, a veces, reflejadas de galaxias individuales. Ejemplos claros de reflejo se encuentran en los prominentes arcos naranjas a la izquierda y derecha del cúmulo de galaxias más brillante. Estas son galaxias con lentes: cada galaxia individual se muestra dos veces en un arco. La imagen de Webb ha revelado completamente sus núcleos brillantes, que están llenos de estrellas, junto con cúmulos de estrellas naranjas a lo largo de sus bordes. No todas las galaxias en este campo se reflejan, algunas se estiran. Otros aparecen dispersos por interacciones con otras galaxias, dejando rastros de estrellas detrás de ellos. Webb ha refinado el nivel de detalle que podemos observar en este campo. Las galaxias muy difusas aparecen como colecciones de semillas de diente de león sueltas en el aire en una brisa. Las "cápsulas" individuales de formación de estrellas prácticamente florecen dentro de algunas de las galaxias más distantes: las vistas más claras y detalladas de los cúmulos de estrellas en el Universo primitivo hasta el momento. Una galaxia salpicada de cúmulos de estrellas aparece cerca del extremo inferior del pico de difracción vertical de la brillante estrella central, justo a la derecha de un largo arco naranja. La larga y delgada galaxia parecida a una mariquita está salpicada de focos de formación estelar. Dibuja una línea entre sus "alas" para que coincidan aproximadamente con sus cúmulos de estrellas, reflejados de arriba a abajo. Debido a que esta galaxia está tan ampliada y sus cúmulos de estrellas individuales son tan nítidos, los investigadores podrán estudiarla con exquisito detalle, lo que antes no era posible para galaxias tan distantes. Las galaxias en esta escena que están más alejadas, las galaxias más pequeñas que se encuentran muy por detrás del cúmulo, no se parecen en nada a las galaxias espirales y elípticas observadas en el Universo local. Son mucho más grumosos e irregulares. La imagen altamente detallada de Webb puede ayudar a los investigadores a medir las edades y masas de los cúmulos de estrellas dentro de estas galaxias distantes. Esto podría conducir a modelos más precisos de galaxias que existieron en la "primavera" cósmica, cuando las galaxias brotaban pequeños "brotes" de nuevo crecimiento, interactuando y fusionándose activamente, y aún tenían que convertirse en espirales más grandes. En última instancia, las próximas observaciones de Webb ayudarán a los astrónomos a comprender mejor cómo se forman y crecen las galaxias en el Universo primitivo. Esta imagen se publicó por primera vez en una transmisión especial desde la Casa Blanca el 11 de julio (hora de EE. UU.). El título se actualizó con detalles adicionales el 12 de julio durante la transmisión en vivo conjunta de NASA/ESA/CSA. Crédito: NASA, ESA, CSA y STScI |
Energía oscura
Las mediciones en la década de 1990 mostraron que la velocidad a la que se expande el Universo se está acelerando. Esto fue completamente inesperado porque nada en la física conocida podría producir este efecto. El Universo se ha expandido continuamente desde el Big Bang, pero se asumió que esta tasa de expansión se ralentizaría con el tiempo porque la gravedad de toda la materia del Universo se opone a ella.
De acuerdo con el nombre de la misteriosa materia oscura, los astrónomos comenzaron a referirse a lo que estaba causando la aceleración como "energía oscura". Se cree que este componente no identificado del Universo está presente en una cantidad tan grande que supera a todos los demás componentes de materia y energía juntos. Según las estimaciones más recientes de la misión Planck de la ESA, la energía oscura contribuye con el 68 por ciento de la densidad de materia-energía del Universo.
Este valor del 68 por ciento se encuentra ajustando los parámetros en el famoso modelo de "concordancia" del Universo hasta que su salida coincida con nuestras observaciones. La energía oscura se incluye en este modelo como una "constante cosmológica", que describe una propiedad intrínseca del vacío del espacio que es la misma en cualquier punto del Universo. Cuanto mayor es el volumen del espacio, más energía de vacío (energía oscura) está presente y mayores son sus efectos.
Pero la energía oscura podría no ser una constante, sino que podría cambiar con el tiempo. O tal vez sea una nueva fuerza fundamental de la naturaleza, uniéndose a las cuatro fuerzas que conocemos ahora (electromagnética, interacciones débiles y fuertes, y gravitación). O, más drásticamente, ¿podríamos estar malinterpretando cómo funciona la gravedad, descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein?
Hoy en día, comprender la naturaleza de la energía oscura sigue siendo uno de los desafíos más importantes de la cosmología y la física fundamental. Hasta el momento, ningún experimento ha sido capaz de medir la aceleración de la expansión del Universo con suficiente detalle para distinguir entre las posibles soluciones. Hasta ahora.
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| El Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA ha producido la imagen infrarroja más profunda y nítida del Universo distante hasta la fecha. Conocida como el primer campo profundo de Webb, esta imagen del cúmulo de galaxias SMACS 0723 está repleta de detalles. Miles de galaxias, incluidos los objetos más débiles jamás observados en el infrarrojo, han aparecido a la vista de Webb por primera vez. Esta porción del vasto Universo es aproximadamente del tamaño de un grano de arena sostenido con el brazo extendido por alguien en el suelo. Este campo profundo, tomado por la cámara de infrarrojo cercano de Webb (NIRCam), es un compuesto hecho de imágenes en diferentes longitudes de onda, con un total de 12,5 horas, logrando profundidades en longitudes de onda infrarrojas más allá de los campos más profundos del telescopio espacial Hubble, lo que tomó semanas. La imagen muestra el cúmulo de galaxias SMACS 0723 tal como apareció hace 4600 millones de años. La masa combinada de este cúmulo de galaxias actúa como una lente gravitatoria, magnificando galaxias mucho más distantes detrás de él. La NIRCam de Webb ha enfocado nítidamente esas galaxias distantes: tienen estructuras diminutas y tenues que nunca antes se habían visto, incluidos cúmulos de estrellas y características difusas. Los investigadores pronto comenzarán a aprender más sobre las masas, las edades, las historias y las composiciones de las galaxias, ya que Webb busca las galaxias más antiguas del Universo. Primero, concéntrese en las galaxias responsables de la formación de lentes: la galaxia elíptica blanca brillante en el centro de la imagen y las galaxias blancas más pequeñas en toda la imagen. Unidos por la gravedad en un cúmulo de galaxias, están desviando la luz de las galaxias que aparecen en las grandes distancias detrás de ellos. La masa combinada de las galaxias y la materia oscura actúa como un telescopio cósmico, creando imágenes ampliadas, distorsionadas y, a veces, reflejadas de galaxias individuales. Ejemplos claros de reflejo se encuentran en los prominentes arcos naranjas a la izquierda y derecha del cúmulo de galaxias más brillante. Estas son galaxias con lentes: cada galaxia individual se muestra dos veces en un arco. La imagen de Webb ha revelado completamente sus núcleos brillantes, que están llenos de estrellas, junto con cúmulos de estrellas naranjas a lo largo de sus bordes. No todas las galaxias en este campo se reflejan, algunas se estiran. Otros aparecen dispersos por interacciones con otras galaxias, dejando rastros de estrellas detrás de ellos. Webb ha refinado el nivel de detalle que podemos observar en este campo. Las galaxias muy difusas aparecen como colecciones de semillas de diente de león sueltas en el aire en una brisa. Las "cápsulas" individuales de formación de estrellas prácticamente florecen dentro de algunas de las galaxias más distantes: las vistas más claras y detalladas de los cúmulos de estrellas en el Universo primitivo hasta el momento. Una galaxia salpicada de cúmulos de estrellas aparece cerca del extremo inferior del pico de difracción vertical de la brillante estrella central, justo a la derecha de un largo arco naranja. La larga y delgada galaxia parecida a una mariquita está salpicada de focos de formación estelar. Dibuja una línea entre sus "alas" para que coincidan aproximadamente con sus cúmulos de estrellas, reflejados de arriba a abajo. Debido a que esta galaxia está tan ampliada y sus cúmulos de estrellas individuales son tan nítidos, los investigadores podrán estudiarla con exquisito detalle, lo que antes no era posible para galaxias tan distantes. Las galaxias en esta escena que están más alejadas, las galaxias más pequeñas que se encuentran muy por detrás del cúmulo, no se parecen en nada a las galaxias espirales y elípticas observadas en el Universo local. Son mucho más grumosos e irregulares. La imagen altamente detallada de Webb puede ayudar a los investigadores a medir las edades y masas de los cúmulos de estrellas dentro de estas galaxias distantes. Esto podría conducir a modelos más precisos de galaxias que existieron en la "primavera" cósmica, cuando las galaxias brotaban pequeños "brotes" de nuevo crecimiento, interactuando y fusionándose activamente, y aún tenían que convertirse en espirales más grandes. En última instancia, las próximas observaciones de Webb ayudarán a los astrónomos a comprender mejor cómo se forman y crecen las galaxias en el Universo primitivo. Esta imagen se publicó por primera vez en una transmisión especial desde la Casa Blanca el 11 de julio (hora de EE. UU.). El título se actualizó con detalles adicionales el 12 de julio durante la transmisión en vivo conjunta de NASA/ESA/CSA. Crédito: NASA, ESA, CSA y STScI |
Euclid ha sido diseñado para alcanzar niveles de precisión de observación sin precedentes, con los que trazará mapas precisos de la distribución de galaxias durante los últimos 10 000 millones de años de historia cósmica en más de un tercio del cielo. Este "retroceso en el tiempo" revelará la forma precisa en que la energía oscura ha acelerado la expansión del Universo. Midiendo los cambios en esta aceleración con una precisión superior al 10 por ciento, Euclid mostrará si la constante cosmológica es realmente constante.
Al mapear la evolución de las estructuras cósmicas, como las galaxias y los cúmulos de galaxias, también podemos probar directamente la propia relatividad general. Es importante destacar que no se ha realizado ninguna prueba previa de la teoría con esta precisión en distancias y tiempos tan grandes. Euclid medirá 'gamma', un parámetro cosmológico que describe el crecimiento de la estructura, con una precisión del 2 por ciento. Si la prueba encuentra que la relatividad general no se cumple, tendremos que encontrar una nueva teoría.
Enlaces de interés
Publicado en ESA el 2 de febrero del 2023, enlace publicación.
