La misión romana de la NASA probará teorías de aceleración cósmica en competencia


Un equipo de científicos ha predicho el retorno científico de uno de los estudios planificados innovadores del Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, que analizará millones de galaxias esparcidas por el espacio y el tiempo. Los panoramas enormes y profundos de la misión brindarán la mejor oportunidad hasta ahora para discernir entre las principales teorías sobre lo que está acelerando la expansión del universo.

Estos seis cubos muestran la distribución simulada de galaxias con corrimientos al rojo 9, 8, 5, 3, 2 y 1, con las edades cósmicas correspondientes mostradas. A medida que el universo se expande, la densidad de galaxias dentro de cada cubo disminuye, de más de medio millón en la parte superior izquierda a unas 80 en la parte inferior derecha. Cada cubo tiene unos 100 millones de años luz de diámetro. Galaxias ensambladas a lo largo de vastas hebras de gas separadas por grandes vacíos, una estructura similar a la espuma resonó en el universo actual en grandes escalas cósmicas. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/F. Reddy y Z. Zhai, Y. Wang (IPAC) y A. Benson (Observatorios Carnegie)

Roman explorará este misterio utilizando múltiples métodos, incluida la espectroscopia, el estudio de la información de color en la luz. Esta técnica permitirá a los científicos medir con precisión qué tan rápido se expandió el universo en diferentes eras cósmicas y rastrear cómo ha evolucionado el universo.

«Nuestro estudio pronostica la ciencia que permitirá la encuesta de espectroscopia de Roman y muestra cómo varios ajustes podrían optimizar su diseño», dijo Yun Wang, científico investigador principal de Caltech/IPAC en Pasadena, California, y autor principal del estudio. Como Centro Romano de Apoyo a la Ciencia, IPAC será responsable del procesamiento de datos científicos espectroscópicos de la misión, mientras que el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore será responsable del procesamiento de datos científicos de imágenes, la generación de catálogos y el soporte para las canalizaciones de procesamiento de datos cosmológicos. «Si bien esta encuesta está diseñada para explorar la aceleración cósmica, también ofrecerá pistas sobre muchos otros misterios tentadores. Nos ayudará a comprender la primera generación de galaxias, nos permitirá mapear la materia oscura e incluso revelará información sobre estructuras que están mucho más cerca. a casa, justo en nuestro grupo local de galaxias».

El Telescopio Espacial Romano, cuyo lanzamiento está previsto para mayo de 2027, proporcionará una vista tan enorme del universo que ayudará a los científicos a estudiar los misterios cósmicos de una manera sin precedentes. Cada imagen contendrá medidas precisas de tantos objetos celestes que permitirá estudios estadísticos que no son prácticos usando telescopios con vistas más estrechas.

Leyendo el arcoiris

En los planes actuales, el estudio de espectroscopia de Roman cubrirá casi 2000 grados cuadrados, o alrededor del 5% del cielo, en poco más de siete meses. Los resultados del equipo mostraron que la encuesta debería revelar distancias precisas para 10 millones de galaxias desde cuando el universo tenía entre 3 y 6 mil millones de años, ya que la luz que llega al telescopio comenzó su viaje cuando el universo era mucho más joven. Estas medidas permitirán a los astrónomos mapear la estructura a gran escala similar a una red del cosmos. La encuesta también revelará las distancias de 2 millones de galaxias desde incluso antes en la historia del universo, cuando tenía solo entre 2 y 3 mil millones de años, territorio inexplorado en la estructura cósmica a gran escala.

Casi toda la información que recibimos del espacio proviene de la luz. Roman usará la luz para capturar imágenes, pero también estudiará la luz dividiéndola en colores individuales. Los patrones de longitud de onda detallados, llamados espectros, revelan información sobre el objeto que emitió la luz, incluida la rapidez con la que se aleja de nosotros. Los astrónomos llaman a este fenómeno «desplazamiento hacia el rojo» porque cuando un objeto retrocede, todas las ondas de luz que recibimos de él se estiran y se desplazan hacia longitudes de onda más rojas.

Este gráfico ilustra cómo funciona el corrimiento al rojo cosmológico y cómo ofrece información sobre la evolución del universo. El universo se está expandiendo, y esa expansión estira la luz que viaja por el espacio. Cuanto más se ha estirado, mayor es el corrimiento al rojo y mayor la distancia que ha viajado la luz. Como resultado, necesitamos telescopios con detectores infrarrojos para ver la luz de las primeras galaxias más distantes. Crédito: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

Esta animación muestra la secuencia y el diseño del patrón de mosaico del Sondeo Espectroscópico de Altas Latitudes del Telescopio Espacial Romano. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
En la década de 1920, los astrónomos Georges Lemaître y Edwin Hubble utilizaron desplazamientos hacia el rojo para hacer el sorprendente descubrimiento de que, con muy pocas excepciones, las galaxias se alejan de nosotros y entre sí a diferentes velocidades dependiendo de su distancia. Al determinar la rapidez con la que las galaxias se alejan de nosotros, impulsadas por la incesante expansión del espacio, los astrónomos pueden averiguar qué tan lejos están: cuanto más se desplaza hacia el rojo el espectro de una galaxia, más lejos está.

El estudio de espectroscopia de Roman creará un mapa 3D del universo midiendo distancias y posiciones precisas de millones de galaxias. Aprender cómo varía la distribución de las galaxias con la distancia y, por lo tanto, con el tiempo, nos dará una idea de qué tan rápido se expandió el universo en diferentes eras cósmicas.

Este estudio también conectará las distancias de las galaxias con los ecos de las ondas de sonido justo después del Big Bang. Estas ondas de sonido, llamadas oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), han crecido con el tiempo debido a la expansión del espacio y han dejado su huella en el cosmos al influir en la distribución de las galaxias. Para cualquier galaxia moderna, es más probable que encontremos otra galaxia a unos 500 millones de años luz de distancia que encontrar una un poco más cerca o más lejos.

Mirando más lejos en el universo, a tiempos cósmicos anteriores, significa que esta distancia física preferida entre las galaxias, el vestigio de las ondas BAO, disminuye. Esto proporciona una medida de la historia de expansión del universo. Los corrimientos al rojo de las galaxias también codifican información sobre su movimiento debido a la gravedad de sus vecinos, llamadas distorsiones del espacio del corrimiento al rojo, lo que ayuda a los astrónomos a rastrear la historia de crecimiento de la estructura a gran escala. Aprender sobre la forma en que se ha expandido el cosmos y cómo ha crecido la estructura dentro de él a lo largo del tiempo permitirá a los científicos explorar la naturaleza de la aceleración cósmica y probar la teoría de la gravedad de Einstein sobre la edad del universo.

Energía oscura versus gravedad modificada

A medida que el universo se expande, la gravedad de la materia dentro de él debería ralentizar esa expansión. Los astrónomos se sorprendieron al saber que la expansión del universo se está acelerando porque significa que algo en nuestra imagen del cosmos está mal o está incompleto. El misterio podría explicarse agregando un nuevo componente de energía al universo, que los científicos han denominado energía oscura, o podría indicar que la teoría de la gravedad de Einstein, la teoría general de la relatividad, necesita una modificación.

Cambiar las ecuaciones que describen algo tan fundamental como la gravedad puede parecer extremo, pero ya se ha hecho antes. La ley de la gravedad de Isaac Newton no pudo explicar algunas de las cosas que observaron los astrónomos, como un pequeño pero misterioso movimiento en la órbita de Mercurio.

Los astrónomos finalmente se dieron cuenta de que la teoría general de la relatividad de Einstein explicaba perfectamente los problemas que habían surgido, como el cambio orbital de Mercurio. Pasar de la descripción de la gravedad de Newton a la de Einstein implicó transformar la física moderna al cambiar la forma en que vemos el espacio y el tiempo: interconectados, en lugar de separados y constantes.

La aceleración cósmica podría ser una señal de que la teoría de la gravedad de Einstein todavía no es del todo correcta. La relatividad general está extremadamente bien probada en escalas físicas sobre el tamaño de nuestro sistema solar, pero menos a medida que avanzamos a escalas cosmológicas más grandes. El equipo simuló el desempeño de Roman y demostró que las enormes y profundas imágenes en 3D del universo de la misión brindarán una de las mejores oportunidades hasta ahora para discernir entre las principales teorías que intentan explicar la aceleración cósmica.

«Podemos esperar una nueva física en cualquier caso, ya sea que aprendamos que la aceleración cósmica es causada por la energía oscura o que descubramos que tenemos que modificar la teoría de la gravedad de Einstein», dijo Wang. «Roman probará ambas teorías al mismo tiempo».

El Telescopio Espacial Nancy Grace Roman es administrado en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y Caltech/IPAC en el sur de California, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore y un equipo científico compuesto por científicos de varios instituciones de investigación. Los principales socios industriales son Ball Aerospace and Technologies Corporation en Boulder, Colorado; L3Harris Technologies en Melbourne, Florida; y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California.

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