El instrumento espectroscópico de la energía oscura crea el mayor mapa 3D del cosmos

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El Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) ha culminado los primeros siete meses de su estudio batiendo todos los récords anteriores de estudios tridimensionales de galaxias, creando el mayor y más detallado mapa del universo jamás visto. Sin embargo, sólo ha completado el 10 por ciento de su misión de cinco años. Una vez completado, este mapa tridimensional extraordinariamente detallado permitirá comprender mejor la energía oscura y, por tanto, ofrecerá a los físicos y astrónomos una mejor comprensión del pasado -y del futuro- del universo. Mientras tanto, el impresionante rendimiento técnico y los logros literalmente cósmicos del sondeo hasta ahora están ayudando a los científicos a revelar los secretos de las fuentes de luz más potentes del universo.

Los científicos de DESI presentarán esta semana el rendimiento del instrumento y algunos de los primeros resultados astrofísicos en un seminario web organizado por el Laboratorio de Berkeley llamado CosmoPalooza, en el que también se presentarán actualizaciones de otros experimentos cosmológicos de primera línea

el científico del Laboratorio de Berkeley Julien Guy, uno de los conferenciantes, afirmó: "Hay mucha belleza en esto". "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, se encuentra una huella del universo muy temprano, y la historia de su expansión desde entonces"

DESI ha recorrido un largo camino hasta llegar a este punto. Propuesto originalmente hace más de una década, la construcción del instrumento comenzó en 2015. Se instaló en el telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros del Observatorio Nacional de Kitt Peak, cerca de Tucson (Arizona). El Observatorio Nacional de Kitt Peak es un programa del NOIRLab de la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF), con el que el Departamento de Energía contrata el funcionamiento del telescopio Mayall para el estudio DESI. El instrumento vio la primera luz a finales de 2019. Luego, durante su fase de validación, la pandemia de coronavirus golpeó, apagando el telescopio durante varios meses, aunque algunos trabajos continuaron a distancia. En diciembre de 2020, DESI volvió a mirar al cielo, probando su hardware y software, y en mayo de 2021 estaba listo para comenzar su estudio científico.

Pero el trabajo en el propio DESI no terminó una vez que comenzó la encuesta. "Es un trabajo constante el que se realiza para que este instrumento funcione", afirma el físico Klaus Honscheid, de la Universidad Estatal de Ohio, científico de instrumentos del proyecto, que presentará la primera ponencia de la sesión de CosmoPalooza sobre DESI. Honscheid y su equipo se encargan de que el instrumento funcione sin problemas y de forma automática, en el mejor de los casos sin necesidad de intervención alguna durante una noche de observación. "Los comentarios que recibo de los observadores nocturnos es que los turnos son aburridos, lo que me tomo como un cumplido", dijo.

Pero esa monótona productividad requiere un control increíblemente detallado de cada uno de los 5.000 robots de última generación que colocan las fibras ópticas en el instrumento DESI, garantizando que sus posiciones sean precisas con una exactitud de 10 micras. "Diez micras es muy poco", dice Honscheid. "Es menos que el grosor de un cabello humano. Y hay que posicionar cada robot para recoger la luz de galaxias situadas a miles de millones de años luz. Cada vez que pienso en este sistema, me pregunto cómo es posible que lo consigamos" El éxito de DESI como instrumento es algo de lo que hay que estar muy orgulloso"

Este nivel de precisión es necesario para llevar a cabo la tarea principal del estudio: recoger imágenes detalladas del espectro de color de millones de galaxias en más de un tercio de todo el cielo. Al desglosar la luz de cada galaxia en su espectro de colores, DESI puede determinar cuánto se ha desplazado la luz hacia el extremo rojo del espectro debido a la expansión del universo durante los miles de millones de años que ha viajado antes de llegar a la Tierra. Son estos desplazamientos al rojo los que permiten al DESI ver la profundidad del cielo.

Cuanto más desplazado al rojo está el espectro de una galaxia, en general, más lejos está. Con un mapa 3D del cosmos en la mano, los físicos pueden trazar cúmulos y supercúmulos de galaxias. Estas estructuras tienen ecos de su formación inicial, cuando sólo eran ondas en el cosmos naciente. Al extraer esos ecos, los físicos pueden utilizar los 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 el destino de todo el universo. En la actualidad, alrededor del 70% del contenido del universo es energía oscura, una misteriosa forma de energía que impulsa la expansión del universo cada vez más rápido. A medida que el universo se expande, aparece más energía oscura, lo que acelera aún más la expansión, en un ciclo que hace que la fracción de energía oscura en el universo sea cada vez mayor. La energía oscura determinará en última instancia el destino del universo: ¿se expandirá para siempre? ¿Se colapsará de nuevo sobre sí mismo, en un Big Bang a la inversa? ¿O se autodestruirá? Para responder a estas preguntas hay que conocer mejor el comportamiento de la energía oscura en el pasado, y eso es exactamente lo que pretende DESI. Y al comparar la historia de la expansión con la historia del crecimiento, los cosmólogos pueden comprobar si la teoría de la relatividad general de Einstein se mantiene en estos inmensos espacios de espacio y tiempo.

Pucha y sus colegas están utilizando los datos de DESI para comprender el comportamiento de los agujeros negros de masa intermedia en las galaxias pequeñas. Se cree que los agujeros negros enormes habitan los núcleos de casi todas las galaxias grandes, como nuestra Vía Láctea. Pero todavía no se sabe si las galaxias pequeñas contienen siempre sus propios agujeros negros (más pequeños) en sus núcleos. 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 superiores a las del núcleo de una estrella) en su camino, se forma un núcleo galáctico activo (AGN). En las grandes galaxias, los AGN se encuentran entre los objetos más brillantes del universo conocido. Pero en las galaxias más pequeñas, los AGN pueden ser mucho más débiles y difíciles de distinguir de las estrellas recién nacidas. Los espectros tomados por DESI pueden ayudar a resolver este problema, y su amplio alcance en el cielo proporcionará más información que nunca sobre los núcleos de las galaxias pequeñas. Estos núcleos, a su vez, darán a los científicos pistas sobre cómo se formaron los AGN brillantes en el universo primitivo.

Los cuásares -una variedad de galaxias especialmente brillante- se encuentran entre los objetos más brillantes y distantes que se conocen. "Me gusta pensar en ellos como postes de luz, que miran hacia atrás en el tiempo en la historia del universo", dijo Victoria Fawcett, una estudiante de posgrado de astronomía en la Universidad de Durham en el Reino Unido. Los cuásares son excelentes sondas del universo primitivo por su enorme potencia; los datos del DESI se remontan a 11.000 millones de años.

Fawcett y sus colegas están utilizando los datos de DESI para comprender la evolución de los propios cuásares. Se cree que los cuásares comienzan rodeados de una envoltura de polvo, que enrojece la luz que emiten, como el sol a través de la bruma. A medida que envejecen, expulsan este polvo y se vuelven más azules. Pero ha sido difícil comprobar esta teoría, debido a la escasez de datos sobre cuásares rojos. DESI está cambiando esta situación, ya que ha encontrado más cuásares que ningún otro estudio anterior, y se calcula que los datos finales del estudio incluirán 2,4 millones de cuásares.

"DESI es realmente fantástico porque capta objetos mucho más débiles y rojos", afirma Fawcett. Esto, añade, permite a los científicos poner a prueba ideas sobre la evolución de los cuásares que antes no se podían probar. Y esto no se limita a los cuásares. "Estamos encontrando una gran cantidad de sistemas exóticos, incluyendo grandes muestras de objetos raros que no hemos podido estudiar en detalle antes", dijo Fawcett.

DESI tiene mucho más que ofrecer. El estudio ya ha catalogado más de 7,5 millones de galaxias y está añadiendo más a un ritmo de más de un millón al mes. Sólo en noviembre de 2021, DESI catalogó desplazamientos al rojo de 2,5 millones de galaxias. Se espera que al final de su funcionamiento, en 2026, DESI tenga más de 35 millones de galaxias en su catálogo, lo que permitirá una enorme variedad de investigaciones cosmológicas y astrofísicas.

DESI cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE y del Centro Nacional de Investigación Científica de la Energía, una instalación usuaria de la Oficina de Ciencia del DOE. La Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU., el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Heising-Simons, la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA) de Francia, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México, la Secretaría de Economía de España y las instituciones miembros de DESI prestan apoyo adicional a este proyecto.