viernes, 17 de julio de 2009

La Cámara de Energía Oscura escanea los cielos antiguos

Mirando hacia el espacio, los científicos se preguntan por qué el universo se está expandiendo cada vez más rápido. ¿Qué fuerza misteriosa hace el trabajo? Mediante el registro de la luz de cientos de millones de galaxias a partir de la cima de una montaña en Chile, esperan a ver qué pasa.

El equipo de Fermilab que utilizará la Cámara de Energía Oscura para penetrar profundo en la oscuridad incluye, de izquierda a derecha, los físicos John Peoples, Brenna Flaugher, Juan Estrada, y Tom Diehl.
Fotografía por Reidar Hahn.

Imagine una cámara que toma imágenes del universo, no sólo como lo vemos hoy, sino a través del tiempo, más cerca de cuando el Universo comenzó, capturando imágenes de alrededor de 300 millones de galaxias.

En Fermilab, en Batavia, Illinois, Brenna Flaugher y sus colegas están construyendo un dispositivo de este tipo. Llamado Cámara de Energía Oscura, estudiará el cielo del hemisferio sur y viajar muy atrás en el tiempo, permitiendo a los científicos ver como eran las galaxias cuando el Universo tenía sólo unos pocos miles de millones de años.

El objetivo es buscar signos de la energía oscura, la omnipresente e invisible sustancia que se cree representa el 70 por ciento del universo.

Para Flaugher, que pasó 15 años estudiando la física subatómica, las perspectivas son tan intrigantes que le han cambiado el foco de su carrera.

"He pasado de estudiar las más pequeñas cosas conocidas en el universo, los quarks, a los cúmulos de galaxias, las mayores cosas que sabemos", dice. "Lo que hace divertido esto es que ambos nos llevan a pensar en los orígenes del universo."

Una fuerza misteriosa

Hace ochenta años, Edwin Hubble descubrió que nuestro universo está en expansión, con las galaxias cada vez más distantes unas de otras. Los científicos estimaron que la atracción gravitatoria entre las galaxias debia hacer más lenta esta expansión. Pero entonces en 1998, dos equipos independientes de científicos descubrieron un sorprendente cambio en la tasa de expansión del universo: para los primeros ocho mil millones de años después del big bang, de hecho, la gravedad ha frenado la expansión, como se predijo. Luego, alrededor de cinco mil millones de años atrás, la expansión comenzó a acelerar.

¿Qué causó esta aceleración?

La respuesta preliminar es la energía oscura, una misteriosa "fuerza antigravitatoria". Cuando el universo era joven, la gravedad fue la fuerza dominante. Pero con el tiempo, la materia se ha extendido lo suficiente para disminuir significativamente la atracción gravitatoria entre las galaxias. La energía oscura, una fuerza repulsiva, comenzó a dominar la fuerza de gravedad y empujar las galaxias cada vez más rápido separándolas.

Confirmar la existencia de la energía oscura y la comprensión de su origen tendría profundas implicaciones para nuestra comprensión del universo. Sin embargo, un resultado aún más radical surgiría si los científicos descubrieran que la energía oscura no existe. En lugar de ello, algunos modelos teóricos sugieren que una dimensión espacial adicional hace que el universo se expanda cada vez más rápido, unraveling teoría general de la relatividad de Einstein. The Dark Energy Survey, que se pondrá en funcionamiento en 2011, podría revelar cual explicación es la correcta.

"Se trata de apelar a las herramientas de la era digital para la vieja pregunta de dónde estamos", dice Craig Hogan, el director del Centro de Astrofísica de Partículas en Fermilab.

Una fatídica conversación

En el verano de 2003, el ex director de Fermilab, John Pueblos y John Carlstrom , físico de la Universidad de Chicago, compartieron un taxi en su camino de regreso de una conferencia sobre astrofísica en Seattle. El tema de la energía oscura ya estaba sobre en la mente de Peoples, y Carlstrom estaba trabajando en el telescopio del Polo Sur, cuya construcción comenzaría pronto en la Antártida. Desde 2007, el telescopio ha registrado la radiación de fondo de microondas remanentes de la gran explosión, en busca de las distorsiones que marca los gigantes cúmulos de galaxias. Pero el telescopio no puede determinar lo lejos, y, por tanto, la edad, de los cúmulos galácticos, información fundamental para conectar sus observaciones con los cálculos de la energía oscura.

Lo que necesitaban, los dos físicos para acordar, era un proyecto que podría llenar el vacío para determinar cuan lejos están estos cúmulos de la Tierra.

"La perspectiva era emocionante", recuerda Peoples. En ese momento, él terminaba de dirigir Sloan Digital Sky Survey. El proyecto, que hace las observaciones desde un telescopio en Nuevo México, ha proporcionado los mapas tridimensionales de casi un millón de galaxias y 120.000 cuásares en el Hemisferio Norte. Combinado con los datos registrados en otros observatorios, las mediciones indican que el 96 por ciento del universo está compuesto de materia oscura y energía oscura.

Es la gravedad el problema?

Montada en un telescopio en Chile, la cámara de energía oscura llegará más profundo en el cielo y descubrirá más galaxias a mayores distancias que cualquier proyecto anterior, incluido el Sloan Digital Sky Survey. Se recopilarán datos sobre las distancias de las supernovas a la Tierra, la agrupación a gran escala de galaxias, la abundancia de grandes cúmulos de galaxias, y el desvío de la luz causado por las galaxias y los cúmulos de galaxias.

Los científicos usan estos cuatro métodos para determinar la rapidez con que el universo se ha ido expandiendo, y la velocidad a la que se formaron las galaxias y los cúmulos en el tiempo cósmico. Dos de estos métodos producen respuestas que son independientes del rol que la gravedad desempeña en la evolución del universo. Los otros dos dan respuestas que dependen de la teoría de la gravedad.

"Si las cuatro medidas muestran el mismo resultado, esto significa que nuestras ideas actuales sobre la energía oscura son correctas, si difieren, o bien hay un problema en nuestra comprensión de la gravedad o alguna otra explicación", dice Flaugher, que dirige la construcción de la cámara. Los cincuenta millones de dólares que involucra el Dark Energy Survey incluye 120 científicos de 13 instituciones en los Estados Unidos, Brasil, España y el Reino Unido. University College de Londres es responsable de pulir los cinco lentes que componen el sistema óptico de la cámara. Los grupos españoles proveen la electrónica que procesará las señales de luz tenue que viajaron miles de millones de años a través de todo el universo, antes de aterrizar en los "ojos" de la Cámara de Energía Oscura.

Simulaciones y la visualización de la formación de galaxias, por Andrey Kravtsov, Universidad de Chicago, y Anatoly Klypin, New Mexico State University.

Viajar atrás en el tiempo

A la cabeza del equipo de construcción de Fermilab está el físico Juan Estrada, quien se unió al proyecto como un becario Fermilab de Wilson en 2004. Estrada fue un investigador postdoctoral del quark top en el experimento DZero de Fermilab, cuando se sintió atraído por la perspectiva de trabajar en la Cámara de energía oscura.

Como estudiante en la Argentina, Estrada ha estudiado las propiedades del vacío, y estaba ansioso por volver a visitar una cuestión que él considera el mayor problema de la física: la misteriosa energía que parece proceder de un espacio vacío en nuestro universo.

Para hacer esto, primero tuvo que aprender astronomía.

"Fermilab me dio la oportunidad de aprender algo que nunca había hecho antes", dice Estrada.

El aprendió cómo funciona una cámara astronómica de un jubilado ingeniero de Fermilab, Tom Droege, quien practica la astronomía desde el observatorio de su casa. Desarmando y reensamblando la cámara de Droege, Estrada aprendió los pasos básicos para la construcción de una cámara, lecciones valiosas para la construcción de la Cámara de Energía Oscura.

Cuando se haya completado, la Cámara de Energía Oscura tendrá el tamaño de un coche inteligente (Smart Car). Lo que la hace tan poderosa son los 74 delicados detectores, llamados de acoplamiento de carga o dispositivos CCD, cada uno de tres por seis centímetros de tamaño y 0.250 milímetros de espesor. Al igual que en una simple cámara digital, son la "película" de la cámara, que registra la luz. El CCD se asentará en una placa de alrededor de medio metro a un metro de diámetro, situado a pocos centímetros detrás de la serie de lentes de la cámara.

Enfriados a menos de 100 grados Celsius para reducir el ruido de fondo, los magníficos CCD de la Cámara de Energía Oscura grabarán longitudes de onda de luz más largas que las captadas por otras cámaras ópticas. Esto le permitirá ver la luz del rápido retroceso de las galaxias que se ha desplazado hacia longitudes de onda más largas, hacia el extremo rojo del espectro, de la misma manera que el tono de una sirena cae cuando se aleja. Cuanto más rápido es el movimiento de las galaxias más más lejanas están, como Hubble lo descubrió. La luz que vemos de las galaxias más lejanas es más antigua, porque le ha tomado más tiempo llegar hasta nosotros. Y así a través de esta cadena de inferencias, de despalzamiento al rojo a más rápido, a más lejano, a la más antigua, la Cámara de Energía Oscura será capaz de ver galaxias distantes como se veian miles de millones de años atrás, más cerca de la infancia del universo.

"Estamos mapeando la distribución de las galaxias a partir de lo que el universo parece ahora a un momento en que el universo era sólo unos miles de millones de años viejo", dice Joe Mohr, colaborador de Dark Energy Survey y profesor de física y astronomía en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign.

La reactivación de un antiguo campo

La elaboración de los CCDs requiere un proceso único desarrollado por los ingenieros en el Laboratorio Nacional de Berkeley Lawrence. Los pasos finales del proceso de fabricación se realizan en una sala limpia dentro de un edificio en forma de domo en Fermilab. Los técnicos de laboratorio ya están familiarizados con el montaje de los detectores de silicio utilizados en experimentos de física de partículas, ahora ellos producen un promedio de cuatro CCD por semana para la cámara.

Una vez que todos los CCD estén dispuestos -un hito que el equipo espera alcanzar el año próximo- los técnicos terminarán el montaje de la cámara, que será transportada al Observatorio Interamericano del Cerro Tololo en Chile, donde se colocará encima de un telescopio de cuatro metros llamado Blanco.

La Cámara de Energía Oscura dará nueva vida a los 40 años de edad del telescopio, que reunió los excelentes criterios de survey, de acuerdo con Peoples: "Fue un matrimonio hecho en el cielo."

De Chile a Illinois

La colaboración Dark Energy Survey utilizará el telescopio por cinco años entre septiembre y febrero, tomando fotos en 105 noches cada año y enviando unos pocos cientos de imágenes por noche a la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign. Cada imagen comprime 520 millones de pixels, lo que equivale a alrededor de 1 gigabyte de datos, con información sobre los desplazamientos al rojo y el brillo de unas 200.000 galaxias y otros objetos celestes demasiado débiles para ser vistos por una simple cámara hogareña.

Una supercomputadora que Mohr llama el "barco madre", guardará todas estas imágenes y detectará automáticamente los objetos que contienen, produciendo un catálogo de galaxias con sus brillos, las posiciones en el cielo, y otras propiedades. El equipo de científicos analizará e interpretará esta información, buscando pistas que podrían ayudar a explicar la aceleración cósmica.

¿Así que, que es lo que los científicos esperan averiguar?

"Ninguno de nosotros es un profeta", dijo Ofer Lahav, presidente de astrofísica en la Universidad College de Londres, que co-preside el comité científico de la colaboración Dark Energy Survey con Josh Frieman de Fermilab. Lahav dice que las conclusiones darán lugar a una visión más compleja de la energía oscura, o quizás una versión modificada de la gravedad.

Especialmente si se trata de esto último, la reconsideración de la teoría de la relatividad de Einstein sería "una gran reorganización de las bases de la física", dice Lahav. "De cualquier forma, es emocionante."

Aunque los futuros estudios sondearán aún más profundo en el cielo en busca de respuestas sobre la energía oscura, el Dark Energy Survey será el primero en dar una estocada en la resolución del misterio, dice Lahav.

"Es uno de los estudios que impulsará los temas de la energía oscura y la gravedad modificada a un nuevo nivel", dice.

Pero eso no es todo.

En una sala limpia de Fermilab, Ken Schultz y Kevin Kuk verifican la alineación del prototipo de la ventana frontal de la cámara.
Fotografía por Fermilab.

La gran recompensa

La colaboración Dark Energy Survey espera que sus datos sobre las estrellas, los cuásares y las galaxias conduzcan a cientos si no miles de publicaciones científicas. La colaboración hará públicos sus datos un año después de que hayan sido tomados, un enfoque también utilizado para los datos recopilados por el Sloan Digital Sky Survey y el Telescopio Espacial Hubble.

La encuesta de Sloan, el cual mapeó una cuarta parte del cielo, ha generado más de 2400 publicaciones científicas hasta ahora. Sus resultados han sido citados con más frecuencia que los de cualquier otro observatorio, incluido el Hubble.

La colaboración Dark Energy Survey espera ser igualmente exitosa. Su estudio del cielo del sur cubrirá un área más pequeña que la encuesta Sloan del cielo del norte, pero irá más profundo y más atrás en el tiempo.

"Es un pequeño proyecto para una gran rentabilidad científica", dice Flaugher. Lo que es más importante, podría responder a lo que ella y sus colegas consideran "la pregunta más grande que hay."

Aunque Flaugher no apuesta a adivinar sobre si los resultados confirmarán o negarán la existencia de la energía oscura, ella tiene una certeza acerca de algo.

"No quiero discutir más," dice Flaugher. "Necesitamos datos, datos y más datos".

En pocos años, ella los tendrá.


Fuente:

"Dark Energy Camera scans ancient skies", por Kristine Crane, Symmetry Magazine, Fermilab


Más información en:

Fermilab Today, 28 mayo 2008

Créditos:

Fotografía de la Cámara: Fermilab.


No hay comentarios:

Publicar un comentario

LinkWithin

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...