¿Qué es la energía oscura?

La cosmología consiste en el estudio del origen y evolución del Universo. Al final del último milenio quedó claro que la expansión del Universo se estaba acelerando. Este descubrimiento, que fue una inmensa sorpresa, fue galardonado con el premio Nobel de Física.

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¿Qué es la energía oscura?

Antes que esto, los astónomos creían que la expansión del Universo debería estar ralentizándose bajo los efectos de atracción mutua de las galaxias. Sin embargo, parece que el Universo contiene algún componente adicional al que los astrónomos han dado el nombre de “energía oscura”.

Esta fuerza misteriosa parece contrarrestar e incluso sobrepasar la atracción gravitatoria mutua que causa la aceleración en la expansión. Sin embargo, podría indicar que nuestra comprensión de la gravedad, tal y como está descrita en la teoría de la relatividad general de Einstein, es incompleta.

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Imagen que muestra los efectos del redshift. Crédito de la imagen: SKA

¿Qué es el desplazamiento al rojo?

Los astrónomos suelen medir distancias a galaxias muy lejanas utilizando el efecto redshift (el término inglés para lo que en español se conoce como “desplazamiento al rojo”). Imagínese que se observa el Hidrógeno en fase gaseosa en una galaxia lejana. Para un astrónomo que se situase en esa galaxia, el Hidrógeno emite a su frecuencia característica de 21 cm.

En cambio, debido a que la galaxia está lejos, la radiación tarda cierto tiempo en llegar a los astrónomos que están en la Tierra. Durante ese tiempo, el Universo se expande, lo que tiene como efecto aumentar la longitud de onda con la que se detecta la emisión del Hidrógeno.

La diferencia entre la longitud de onda observada y la longitud de onda en reposo es una medida de cuán lejos está la galaxia, así como de cuánto tiempo ha pasado desde que la luz fue emitida.

Por ejemplo, con un gran sondeo de galaxias se puede establecer el mecanismo por el que las galaxias formaron cúmulos de galaxias.

Cómo de rápido se forman estos cúmulos depende del balance entre la gravedad, que hace que las galaxias se junten formando un cúmulo, y la energía oscura, que actúa separando las galaxias. Así que el tamaño y la rapidez con la que se hayan formado los cúmulos es una medida de la importancia de la energía oscura, y a la vez permite a los astrónomos entender mejor en qué consiste esta energía oscura.

Hay dos amplios enfoques mediante los cuales el SKA hará estudios cosmológicos:

  • El primero, mediante un gran sondeo de galaxias, en el que se buscará su emisión de Hidrógeno a 21 cm (desplazada al rojo). Se requiere un sondeo extremadamente amplio de galaxias para muestrear un volumen lo suficientemente grande del Universo como para poder detectar variaciones relativamente sutiles.
  • Otro enfoque bajo el que el SKA puede estudiar cosmología y energía oscura consiste en estudiar los efectos gravitacionales de las galaxias en el camino de las ondas de radio por todo el Universo.

La teoría de la relatividad de Einstein relaciona la masa y la energía y muestra que ambas contribuyen a la gravitación. Las concentraciones de masa tienen el efecto de interferir en la trayectoria que las ondas de radio toman en su camino hacia la Tierra. De hecho, concentraciones de masa tales como galaxias y cúmulos de galaxias pueden actuar como grandes lentes en el espacio.

Así, si hay una galaxia detrás de otra, o detrás de un cúmulo de galaxias, la forma de la galaxia en un segundo plano aparecerá distorsionada debido a que el camino tomado por las ondas de radio se distorsiona por la galaxia o el cúmulo de galaxias que quedan por delante.

Midiendo la  distorsión de las galaxias en segundo plano, los astrónomos pueden inferir cuánta masa hay (en forma de materia normal y de materia oscura) entre las galaxias en un segundo plano y nosotros, así como la distribución de la masa. Al mismo tiempo, la distribución de la masa puede verse afectada por las propiedades de la energía oscura. De esta manera, la medida de los perfiles de un gran número de galaxias se puede utilizar para restringir los modelos cosmológicos del Universo.

Además de detectar emisión de Hidrógeno en galaxias, el SKA llevará a cabo el sondeo más profundo en radiocontinuo de la historia, investigando la historia de la formación estelar del Universo en función del redshift, independientemente de la extinción debida al polvo (el polvo esconde los objetos situados detrás de él, lo que afecta a los telescopios ópticos).

Con los sondeos en radio se puede ver a través del polvo, que bloquea una fracción importante de la luz visible, revelando así las complejas estructuras y las estrellas individuales que éste esconde.

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Energía oscura y materia oscura – se cree que juegan un papel fundamental en la expansión del Universo.

Este sondeo será de gran interés para los científicos, que serán capaces de relacionar las propiedades de formación estelar de las galaxias con su contenido en Hidrógeno, en función del redshift y del medio en el que se hayan formado. Además, la gran resolución del sondeo radiocontinuo en grandes áreas permite una medida precisa de las distorsión de forma coherente de galaxias lejanas. Esta distorsión se debe al fondo cósmico, y es similar a la que crea una lente situada frente a un objeto observado en el visible, pero utilizando la fuerza de la gravedad en lugar de una lente.

Este débil efecto de lente trae consigo una gran cantidad de información cosmológica, y su explotación aportará los datos más importantes en cosmología en la década que viene.

La banda de las ondas de radio es especialmente ventajosa para este experimento puesto que su función de dispersión de punto es bien conocida y estable (se trata simplemente de la distribución de base de un interferómetro).

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