Confirmada la existencia de energía oscura

Uno de los hallazgos más importantes de la Astrofísica a finales del milenio pasado fue el descubrimiento de que el Universo se expandía más rápidamente de lo que se esperaba por su propia gravedad. Este resultado se consiguió a partir de estudios de explosiones de supernova del tipo Ia a distancias cosmológicas, que sirven de patrón porque siempre tienen la misma luminosidad en su máximo. Para explicar este hecho, los cosmólogos tuvieron que introducir el concepto de energía oscura, que es algo que se opone completamente a la fuerza de la gravedad y que está estirando el espacio. Durante la década pasada, y gracias a la unión de muchas observaciones independientes usando desde telescopios ópticos a satélites artificiales que observan en frecuencias de radio, los astrofísicos llegaron a concretar que la composición de nuestro Universo parece ser un 4% de materia bariónica (protones, electrones, neutrones, las partículas de las que estamos constituidos nosotros, los planetas y las estrellas), un 23% de materia oscura (que no sabemos exactamente lo que es porque “no la vemos”, pero de la que medimos sus efectos sobre la materia bariónica en escalas de galaxias y cúmulos de galaxias), estando el resto, un enorme 73%, constituido por esa esquiva “energía oscura”.

La existencia tanto de la materia oscura como la energía oscura entran dentro de las teorías cosmológicas actualmente aceptadas sobre la formación y evolución del Universo (modelos de formación jerarquizados con materia oscura fría y constante cosmológica, ΔCDM). Y vamos recogiendo más pruebas y pruebas de que, por el momento, esta teoría es la que mejor reproduce las observaciones del Universo profundo.

El cartografiado WiggleZ

¿Pero existe realmente la energía oscura? Para hallar la respuesta a esta pregunta se necesitaban métodos alternativos para medir no sólo las distancias a las galaxias más lejanas sino su distribución dentro de los cúmulos de galaxias y la estructura a gran escala del Universo. Así, un grupo de astrofísicos australianos decidieron en 2005 reunir datos profundos de más de 200 000 galaxias, hasta una distancia de unos 8.000 millones de años luz, para ello.8000 millones de años luz de distancia (edad del Universo de 5700 millones de años) corresponden a un redshift (desplazamiento al rojo, z) de 1 aproximadamente. Como z se define como velocidad a la que vemos se aleja una galaxia con respecto a la velocidad de la luz (z=v/c), un redshift de 1 indica que las galaxias a esa distancia parece que se alejan de nosotros a la velocidad de la luz, como consecuencia de la expansión del Universo. A este cartografiado se le bautizó como WiggleZ, y ha usado 276 noches de observación en el Telescopio Anglo-Australiano (AAT, de 3.9m de tamaño) entre 2006 y 2011 para conseguir los espectros de 238 770 galaxias sobre un área concreta del cielo.

Para ello, se usó el instrumento 2dF/AAOmega, que posee 400 fibras ópticas configurables sobre un campo de 2 grados cuadrados de diámetro. Con este dispositivo, se pudieron observar simultáneamente unas 360 galaxias cada hora. Las galaxias se seleccionaron usando datos ópticos y datos el ultravioleta del satélite GALEX, para de esa forma asegurarse que las galaxias observadas tenían cierta formación estelar, siendo así (gracias a la identificación de las líneas de emisión del gas nebular, como Hα, [O III] λ5007 o [O II]λ3727) más fácil estimar la distancia real a cada objeto. El objetivo final del cartografiado WiggleZ es, en efecto, demostrar la existencia de la energía oscura mediante mediciones precisas de cómo se menea, contenea o curva (=Wiggle, en inglés) el Universo. Por supuesto, la ingente cantidad de datos obtenida con este cartografiado va a servir para muchas cosas más, como poner límites a la masa del neutrino, probar modelos de gravedad modificada, u observar galaxias starburst muy lejanas. En efecto, con todos esos espectros se ha elaborado una base de datos que consta de casi 200 000 galaxias con medidas útiles de distancia.

WiggleZ ha sido coordinado por los profesores Warrick Couch (Swinburne University of Technology, Melbourne) y Michael Drinkwater (University of Queensland). El análisis de los resultados ha sido coordinado por Chris Blake (Swinburne), mientras que las operaciones en el AAT se dirigían por el mismísimo director del Australian Astronomical Observatory, el profesor Matthew Colless (AAO, Sydney).

¿Cómo se distribuyen las galaxias? Oscilaciones Acústicas de Bariones

La energía oscura se descubrió a finales del milenio pasado al encontrarse que el Universo se expandía más rápidamente de lo que se esperaba por su propia gravedad. Fueron las medidas a supernovas (del tipo Ia) a distancias cosmológicas, que sirven de unidades patrón al tener siempre la misma luminosidad en su máximo (aunque esto puede no ser completamente cierto al existir una dependencia entre el brillo de las supernovas y el contenido en metales de la estrella que explota. ), las que dieron la voz de alarma sobre la extraña expansión del Universo e introdujeron el concepto de energía oscura para explicar este fenómeno: algo que se opone completamente a la fuerza de la gravedad está estirando el espacio.

Uno de los métodos más fiables para probar la existencia de la energía oscura está basado en cómo se distribuyen las galaxias en el espacio. Las parejas de galaxias tienen cierta preferencia a encontrarse separadas por una distancia en concreto. Esta distancia preferencial es consecuencia por ondas de presión (ondas sonoras) en el universo temprano (pocos cientos de miles de años de edad) y caliente. Al irse expandiendo el espacio, estas ondas acústicas se quedaron congeladas en la estructura a gran escala del Univeso, haciendo que existiesen zonas más densas de materia (más galaxias) y zonas menos densas (pocas galaxias). Esto lo observamos en la radiación cósmica de fondo, que muestra claramente cómo la materia tiende a agruparse a distancias concretas. Pero al expandirse el Universo estas estructuras se expanden con él, creando unas Oscilaciones Acústicas de Bariones (Baryon Acoustic Oscillations en inglés). Lo que los científicos de WiggleZ han hecho es medir esta distancia cuando el Universo tenía unos 8000 millones de años de edad (ahora tiene 13700 millones de años de edad). Los resultados obtenidos están muy de acuerdo con los modelos cosmológicos que incorporan un 73% de energía oscura con un 27% de materia (4% bariónica, el resto materia oscura).

Esta investigación está publicada en el siguiente artículo científico:

The WiggleZ Dark Energy Survey: testing the cosmological model with baryon acoustic oscillations at z = 0.6.Chris Blake, Tamara Davis, Gregory B. Poole et al [26 authors]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El crecimiento de los cúmulos y los supercúmulos

El segundo método que WiggleZ ha explorado de forma independiente para caracterizar la energía oscura es medir el ritmo de crecimiento de los cúmulos y los supercúmulos de galaxias. En principio, ambos tipos de super estructuras se formarían por acción de la gravedad que sienten entre sí todas las galaxias que los integran. Sin embargo, como la energía oscura juega en contra de la gravedad, afectaría enormemente al ritmo de crecimiento de los cúmulos y supercúmulos, ralentizando su formación.

En realidad, la distancia que se determina a las galaxias por el análisis de los espectros, en el que se mide el desplazamiento Doppler de las líneas espectrales, no es únicamente consecuencia de la expansión del Universo, sino que también tiene una parte (pequeña) que viene del movimiento propio de la galaxia dentro del cúmulo o supercúmulo en el que se encuentre. Una vez establecida la verdadera distancia a un cúmulo, es posible diferenciar, para cada galaxia, ambas componentes. Con ello, se puede determinar el ritmo de crecimiento de los cúmulos y supercúmulo. Lo que el equipo de WiggleZ ha hecho en este caso es tomar 4 momentos en la evolución del Universo entre el momento actual hasta cuando el Universo tenía unos 6500 millones de años de edad. Y, de nuevo, los mejores modelos cosmológicos que reproducen las observaciones (recordamos: de cerca de 200 000 galaxias) son aquellos que tienen en cuenta la energía oscura en las proporciones antes indicadas.

Esta investigación está publicada en el siguiente artículo científico:

The WiggleZ Dark Energy Survey: the growth rate of cosmic structure since redshift z = 0.9. Chris Blake, Sarah Brough, Matthew Colless et al [25 authors]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

En resumen

El cartografiado WiggleZ, liderado completamente por astrofísicos australianos, y en el que se ha medido la distancia a más de 200 000 galaxias usando la cámara 2dF/AAOmega en el Telescopio Anglo-Australiano (AAT), ha podido demostrar de dos formas completamente independientes que la energía oscura realmente existe, y que los modelos cosmológicos actualmente aceptados sobre formación jerarquizada de galaxias con materia oscura fría y constante cosmológica son los que mejor reproducen las observaciones actuales. Hay que insistir que el instrumento protagonista que ha servido para llegar a estas conclusiones es 2dF/AAOmega, dado que ha proporcionado los espectros ópticos los que han permitido calcular la distancia y la distribución de las galaxias observadas.

Más información:

Australian Astronomical Observatory

Images for “Dark Energy is real”

Swinburne University

Dark energy is real (Swinburne University)

Satélite GALEX (NASA)

NASA’s Galaxy Evolution Explorer Helps Confirm Nature of Dark Energy (Caltech)

NASA Telescope Helps Confirm Nature of Dark Energy

Texto adaptado del artículo “La energía oscura existe”, del blog “El Lobo Rayado”.

Te invitamos a comentar y conversar sobre este artículo en nuestras redes sociales: Facebook y Twitter.