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Euclid: en busca de la materia oscura

¿Por qué se expande el universo de forma acelerada?

Investigadores de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) participan en un ambicioso proyecto internacional para cartografiarla.

Anastasio Díaz, José Javier Martínez, Carlos Colodro, Isidro Villó, Rafael Toledo, Antonio Pérez, Javier Garrigós, J. Manuel Ferrández y Javier Toledo
Miguel Ángel Campos

La cosmología es la rama de la física que estudia la evolución del universo en su conjunto, como un todo, e intenta averiguar cuál es el origen y el destino del mismo. Uno de los mayores interrogantes de la cosmología contemporánea es la composición del universo. La materia, tal y como la conocemos, constituye sólo un 4% del total de la materia y energía. El 20% lo constituiría lo que conocemos como materia oscura, una materia que no podemos ver, pero que podemos detectar por sus efectos físicos sobre la materia visible y un 76% lo constituye una misteriosa energía que produce una expansión acelerada del universo y de la que se sabe su existencia desde los años 90 del siglo pasado.

Por este motivo la ESA decide emprender el proyecto Euclid, cuyo objetivo es proporcionar respuestas a una de las mayores preguntas que el ser humano se ha estado haciendo durante décadas: ¿cuál es la composición del universo?

Para poder realizar la misión, se formó un consorcio de 110 laboratorios y más de 800 científicos e ingenieros europeos de Alemania, Dinamarca, Austria, España, Finlandia, Francia, Holanda, Italia, Noruega, Reino Unido, Rumanía y Suiza, contribuyendo también a este proyecto laboratorios de los Estados Unidos. En octubre de 2011, la ESA seleccionó Euclid entre otras 50 propuestas como una de las dos misiones de clase media para la década 2015-2025.

El satélite Euclid estará equipado con un telescopio formado por dos instrumentos destinados a observar el universo: VIS (Instrumento para observar la luz visible) y NISP (Instrumento para observar la luz infrarroja).

La participación española en la misión se realiza en diferentes planos de responsabilidad tal y como ha sido acordado por el Consorcio Euclid:

  • España tiene dos miembros en el Euclid Consortium Board, que es el mayor órgano de gobierno del consorcio Euclid: Rafael Rebolo López (Instituto de Astrofísica de Canarias) y Francisco Javier Castander Serentill (Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña).
  • El Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadoras de la Universidad Politécnica de Cartagena, en colaboración con el Instituto Astrofísico de Canarias, tiene la responsabilidad de la electrónica de la Unidad de Control del Instrumento NISP o NI-ICU. El responsable del grupo de trabajo es Rafael Toledo Moreo.
  • En el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña, el grupo coordinado por Francisco Javier Castander Serentill tiene encargada la fabricación de la Rueda de Filtros.

Por otra parte, España participará además en las Unidades Operacionales (OU) de Tierra y en la explotación científica de la misión a través del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) y la propia Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) por medio del Grupo de Astrofísica.

Hablamos con Rafael Toledo, doctor Ingeniero y profesor titular de universidad del Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadoras de la UPCT.

Pregunta: ¿Qué es Euclid?

Rafael Toledo: Euclid es una misión de clase media de la ESA cuyo objetivo es medir parámetros relativos a la energía y materia oscura del universo. Estas mediciones se harán con una precisión sin precedentes, lo cual proporcionará un gran avance en nuestros conocimientos del modelo cosmológico estándar o hará pensar en una alternativa a la teoría General de la Relatividad. En cuanto a observación del espacio Euclid es ahora mismo la misión espacial de la ESA más importante. Su lanzamiento está previsto para el año 2020.

Para este proyecto, ¿cuántos equipos de trabajo existen en la UPCT?

A grandes rasgos hay dos equipos de trabajo. Por un lado un equipo que se dedica a la parte tecnológica, es decir, a la creación del diseño y desarrollo de la electrónica, y por otro lado un equipo que se dedica a la parte científica, es decir, a la investigación del universo.

Además de la UPCT, ¿colaboráis con alguna institución más?

Sí, tanto la tecnología como la ciencia, la estamos haciendo en cooperación con el Instituto de Astrofísica de Canarias. Además, en el instrumento NISP participa el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña.

¿Cuál es la responsabilidad que tenéis sobre el Instrumento de Infrarrojo Cercano, NISP?

Nosotros nos encargamos de la electrónica que tiene que controlar la operación del instrumento. En particular, esta electrónica deberá controlar las ruedas de filtros y de redes de difracción, la estabilidad térmica del instrumento, activar la unidad de calibración cuando corresponda, monitorizar el estado de cada unidad y comunicar el instrumento con el resto de la nave.

Isidro Villó es doctor en Física, pertenece al Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadoras de la UPCT, y es el encargado de coordinar la parte tecnológica del Instrumento NISP, con la parte de investigación científica que llevará a cabo el instrumento captador de luz infrarroja.

¿Qué es el infrarrojo cercano?

Isidro Villó: Todos los cuerpos emiten energía en forma de radiación electromagnética como consecuencia de su temperatura. Lo que conocemos como luz visible (luz roja, naranja, verde, azul y violeta) es tan solo una parte de esta energía electromagnética sensible al ojo humano. La radiación electromagnética emitida por un cuerpo es mucho más extensa que la luz visible y comprende otros tipos de luz, tales como, la luz infrarroja (menos energética que la luz roja) y la luz ultravioleta (más energética que la luz violeta). Podemos decir que el infrarrojo cercano es un tipo de luz, invisible para los humanos, pero que contienen información que no puede obtenerse de la luz visible. Técnicamente, el infrarrojo cercano es la radiación electromagnética cuya longitud de onda está en torno a los 850 nanómetros. En astronomía se usan cámaras para captar este tipo de luz emitida por los objetos astronómicos fríos tales como galaxias lejanas.

¿Cuál es el objetivo de esta investigación científica?

El satélite Euclid escaneará un área total del cielo de más de 20.000 grados cuadrados (media bóveda celeste) y obtendrá medidas en luz visible y en el infrarrojo cercano de más de 160 millones de objetos extragalácticos con una precisión no alcanzada hasta ahora. Usando estos datos se podrá esclarecer la naturaleza de la materia y la energía oscura y la razón de porqué el Universo se encuentra en expansión acelerada.

El universo se expande, ¿qué significa esto?

Desde hace más de 80 años sabemos que el universo está en expansión, es decir, cada vez se hace más grande. Como consecuencia de ello, las galaxias se alejan de nosotros como un todo. Debido a los efectos de la gravedad, se pensó en una expansión desacelerada del universo. La sorpresa se produjo cuando en la década de los 90 los científicos Perlmutter, Riess y Schmidt descubrieron, de forma independiente, que el universo reciente se expande de forma acelerada, esto es, a una velocidad cada vez mayor, mientras que en el universo primitivo la expansión era desacelerada.

La única forma de explicar esta aceleración es suponiendo la existencia de una energía cuya naturaleza desconocemos y que por ello se ha denominado energía oscura. Cabe destacar que por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo los estadounidenses Saul Perlmutter y Adam G. Riess y el australiano-estadounidense Brian P. Schmidt ganaron el Premio Nobel de Física 2011.

Antonio Pérez es doctor en Física, pertenece al Grupo de Astrofísica del Departamento de Física Aplicada de la UPCT y es el responsable de la investigación científica que la UPCT lleve a cabo.

¿Desde cuándo se conoce la existencia de estas componentes desconocidas que forman parte del universo?

Antonio Pérez: Las primeras evidencias de la existencia de la materia oscura aparecen en el año 1932. Estudiando los movimientos de estrellas en nuestra galaxia, se comprobó que algunas de ellas poseían velocidades mucho más grandes de lo esperado y eso implicaba que debía existir más materia de la que detectábamos para que no hubieran escapado hace tiempo del tirón gravitacional de nuestra galaxia. Posteriormente, se confirmó esto en estudios de movimiento de galaxias en cúmulos y en los años 70 en la rotación de galaxias espirales.

Por otro lado, tenemos lo que se conoce como energía oscura. Esta energía se detecta en los años 90 del siglo XX estudiando luz de supernovas en galaxias alejadas. Con estos estudios se comprobó que la expansión del Universo es acelerada. En los modelos cosmológicos se necesita de la adición de un término en las ecuaciones para que las soluciones muestren una expansión acelerada. Este término es lo que llamamos energía oscura. Estudios del fondo cósmico de microondas recientes también muestran evidencias de la existencia de esta energía oscura.

La materia oscura curva el espacio, ¿cómo sabemos que esto ocurre viéndolo con las lentes gravitatorias?

Sabemos que la materia deforma el espacio-tiempo, lo curva. Las grandes acumulaciones de materia curvan tanto el espacio-tiempo que el efecto sobre la luz que nos llega de objetos situados detrás es apreciable. Por ejemplo, la luz de un quásar situado detrás de una galaxia puede seguir varios caminos hasta llegar a nosotros de manera que vemos múltiples imágenes del mismo objeto. Otro efecto que producen estas lentes gravitacionales es la distorsión de la forma de galaxias lejanas por el paso de su luz a través de grandes pozos de potencial gravitatorio. La materia oscura también puede producir estos efectos de lente gravitacional aunque mucho más débiles. Podemos trazar un mapa de su distribución observando los efectos de lo que llamamos lente gravitacional débil.

Euclid tomará imágenes de millones de galaxias con una resolución no alcanzada hasta ahora y podrá medir minúsculas variaciones sistemáticas de su morfología debidas al efecto de la materia oscura que hay entre estas galaxias y nosotros, permitiéndonos realizar algo así como una tomografía de la distribución de materia oscura en el universo.

Todo esto que hemos hablado, ¿afecta de alguna manera al planeta Tierra?

El ser humano es producto de la evolución del universo. El conocimiento de la estructura de nuestro universo, de la naturaleza de sus constituyentes nos dice mucho acerca de dónde venimos y por qué somos lo que somos. A un nivel práctico si, por ejemplo, nadie se hubiera preguntado de que está hecha la materia, qué es un electrón, cuáles son sus propiedades, cuál es su dinámica a nivel microscópico, pues no tendríamos la electrónica, esto es, no tendríamos desfibriladores, televisiones, teléfonos móviles, etc.

Estos científicos están cada vez más cerca de conocer uno de los misterios sin resolver de nuestra física actual. Sus conclusiones sobre la expansión del universo podrían pasar a la historia de la ciencia, y sobre todo a la historia de la ciencia en nuestro país. No sería esta, la primera vez que tienen éxito en su trabajo, y es que Isidro Villó y Antonio Pérez ya descubrieron un planeta extrasolar gigante.

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