Observatorio Rubin ayudará a desentrañar los misterios de la materia y energía oscura

Todo lo que conocemos (galaxias, estrellas, planetas, nuestras familias, amigos, e incluso las mascotas) constituye sólo el 5 % del Universo. El 95% restante está formado por misteriosos componentes que los científicos llaman energía oscura (68%) y materia oscura (27%). ¿Qué son y cómo influyen en la estructura y evolución del Universo? Investigadores como Andrés Alejandro Plazas Malagón, Científico de Operaciones de Rubin en el Laboratorio Nacional SLAC y Científico Comunitario y de Calibración en el Observatorio Rubin, espera abordar estas preguntas con la próxima Investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la Posteridad (LSST), que será realizada con el Observatorio Rubin, desde Chile. Con su inmensa cobertura del cielo y su habilidad para detectar objetos tenues, el estudio LSST de Rubin proporcionará a los científicos un enorme conjunto de datos necesarios para desentrañar estos y otros misterios del Universo.

En la década de los ’70, la astrónoma estadounidense Vera C. Rubin entregó la evidencia más contundente de la época sobre la existencia de una materia “oscura” invisible en el Universo. La materia oscura se llama oscura porque eso es prácticamente todo lo que sabemos sobre ella, aparte de su influencia gravitacional sobre las estrellas y el gas en las galaxias: se trata de una sustancia en el Universo que tiene masa, pero que no emite ni refleja luz. Este material invisible forma más del 80% de toda la materia y sus propiedades afectan el modo en que evoluciona el Universo, es decir, cómo se forman y crecen las galaxias, y cómo se agrupan para formar largos filamentos que constituyen la estructura que los científicos llaman la red cósmica.

Darle forma a la estructura a gran escala del Universo es un juego de tira y afloja cósmico entre la materia oscura y una fuerza esquiva conocida como energía oscura. Plazas Malagón explica esta diferencia precisando que “es posible pensar en la materia oscura como un elemento que intenta construir las estructuras cósmicas, y en la energía oscura como la fuerza que intenta diluirlas y separarlas”. La mayoría de los científicos piensan que la energía oscura impulsa la expansión acelerada del Universo y que este comportamiento está descrito en una cantidad conocida como constante cosmológica. Esta explicación es comúnmente aceptada porque se alinea con la evidencia recopilada hasta el momento. Sin embargo, si bien la constante cosmológica es actualmente una pieza fundamental de las ecuaciones que describen el Universo, los científicos aún tratan de precisar su valor exacto y si es o no la explicación de la energía oscura.

Calcular la constante cosmológica y precisar las ecuaciones que describen el Universo, es un esfuerzo realizado en la vanguardia de la cosmología. En tal sentido, Rubin permitirá mediciones más exactas al abrir nuevas posibilidades utilizando un efecto llamado lente gravitacional débil para explorar la compleja interacción entre la materia oscura y la energía oscura.

Los cosmólogos utilizan lentes débiles para inferir la “grumosidad” de la materia observando la desviación de la luz debido a la gravedad. Pero a diferencia de las lentes gravitacionales fuertes, que a menudo producen hermosos arcos alrededor de los cúmulos de galaxias, las lentes débiles producen efectos que son menos dramáticos con pequeñas distorsiones de la luz de galaxias distantes. Si bien las lentes débiles pueden ocurrir en las afueras de un sistema de lentes fuertes, también existen en todas partes a lo largo del Universo a medida que la luz de las galaxias de fondo se abre paso a través de los filamentos de las galaxias que conectan los cúmulos y supercúmulos conocidos como la red cósmica. “Si una lente fuerte es como mirar a través del fondo de una copa de vino, los lentes débiles es como mirar a través de una ventana grande y sutilmente deformada”, explicó Theo Schutt, candidato a PhD de la Universidad de Stanford que colabora con Plazas Malagón.

Las débiles distorsiones de las galaxias distantes son muy pequeñas para ser medidas mediante la observación de una sola galaxia, incluso con datos de miles de galaxias, los científicos no pueden decir con certeza si las formas de galaxias individuales observadas son sus verdaderas formas o si han sido distorsionadas por lentes débiles. Para realmente comprender toda la escena, necesitan un enorme conjunto de datos para calcular la distorsión colectiva a lo largo de todo el cielo observable.

El Observatorio Rubin, con su habilidad de observar grandes extensiones del cielo y su capacidad de observar galaxias tenues y distantes, será la primera instalación astronómica en la historia en proporcionar datos sobre miles de millones de galaxias y sus formas.

Rubin será un recurso líder para la astronomía y astrofísica de avanzada cuando comience a operar en 2025. Utilizando un telescopio de 8,4 metros equipado con la cámara digital más grande del mundo, va a explorar el cielo del hemisferio sur todas las noches por diez años, proporcionando la más exhaustiva visión del Universo de la que tengamos registro. El Observatorio Rubin está financiado conjuntamente por la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF) y por el Departamento de Energía del mismo país (DOE). Rubin es un Programa de NOIRLab de NSF, que en conjunto con el SLAC National Accelerator Laboratory, será responsables de las operaciones de Rubin.

Los estudios actuales como el Estudio de Energía Oscura, el estudio de la Hyper Suprime Cam, y el estudio Kilo-Degree Survey, ya están develando algunos de los misterios de la materia y energía oscura. En este caso hay una compensación entre un estudio amplio y un estudio profundo, explicó Plazas Malagón, que está limitado por factores como el tamaño de la cámara y el poder de resolución. La Cámara LSST en el Observatorio Rubin tiene un amplio campo de visión sin precedentes y una enorme resolución que proporcionará a los astrónomos y astrofísicos lo mejor de ambos mundos. De hecho, el Observatorio Rubin fue diseñado desde el inicio para ayudar a científicos a mapear la materia oscura en el Universo utilizando los lentes gravitacionales de miles de millones de galaxias distantes.

“Con Rubin, vamos a tenerlo todo” adelantó Plazas Malagón. “Vamos a medir las propiedades de muchas más galaxias de las que tenemos actualmente, lo que nos permitirá tener un poder estadístico para usar lentes débiles y así mapear la distribución de la materia oscura y estudiar cómo evoluciona la energía oscura con el tiempo”.

También es posible que Rubin provea nueva evidencia que respalde explicaciones alternativas para los fenómenos que observamos en el Universo más allá de las teorías comunes sobre la materia y energía oscura. 

“La energía oscura es un concepto que encaja con la teoría aceptada de la gravedad dentro de la teoría general de la relatividad de Einstein, pero Rubin y LSST también nos permitirán explorar alternativas a ello, lo que es increíblemente emocionante también”, concluyó Plazas Malagón.

El Observatorio Rubin es una iniciativa conjunta de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y del Departamento de Energía (DOE), ambos de los Estados Unidos. Su misión principal consiste en llevar a cabo la Investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la Posteridad (LSST), proporcionando un conjunto de datos sin precedentes para la investigación científica que respaldan ambas agencias. Rubin es operado en conjunto por NOIRLab de NSF y por SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC). NOIRLab es administrado para NSF por la Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) y SLAC es operado para DOE por la Universidad de Stanford. Se agradecen las contribuciones adicionales de varias organizaciones y equipos internacionales.

La Fundación Nacional de Ciencias (NSF) es una agencia federal independiente creada por el Congreso de los Estados Unidos en 1950 para promover el progreso de las ciencias. NSF apoya la investigación y a las personas para crear conocimiento que transforme el futuro.

SLAC es operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

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