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COSMOLOGÍA

Lupas cósmicas

La distorsión causada por la gravedad en la luz de supernovas y galaxias ayuda a investigar la distribución de materia y energía en el Universo

058-061_LentesGavitacionais_223-01Físicos de Río de Janeiro, junto a colegas del exterior, están aprendiendo a dominar el arte de utilizar un fenómeno especial que ocurre con la luz para entender la composición y la estructura del Universo a grandes escalas. Este fenómeno, al que se denomina lente gravitacional, funciona como una especie de lente de aumento gigantesca ‒una lupa cósmica‒ y permite divisar objetos celestes que generalmente no serían visibles por hallarse demasiado lejanos. Con la ayuda de las lentes gravitacionales, Martín Makler, Bruno Moraes y Aldée Charbonnier, del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), elaboraron un nuevo mapa de la materia oscura, uno de los componentes más abundantes y misteriosos del cosmos. “Se trata del más extenso estudio de este tipo para un área contigua del cielo que se haya realizado con buena calidad de imagen”, afirma Makler, coordinador de la participación brasileña en el proyecto, realizado en colaboración con investigadores europeos, canadienses y chinos.

Los investigadores utilizaron un telescopio emplazado en Hawái para atisbar inicialmente 16 millones de estrellas y galaxias en una banda del ecuador celeste, una zona del espacio bastante estudiada porque resulta visible tanto desde el hemisferio norte como desde el hemisferio sur de la Tierra. Con base en datos de casi 3 millones de objetos de los cuales obtuvieron minuciosas informaciones, generaron un mapa bidimensional de la distribución de la materia oscura en una faja del ecuador celeste ubicada a unos 7 mil millones de años luz de la Tierra. La cantidad de materia oscura hallada en las galaxias de esa región del cielo es entre cinco y seis veces más abundante que la materia normal, de la que se componen las estrellas, los planetas y los seres vivos. “Alrededor del 80% de la materia en esas estructuras que funcionan como una lente gravitatoria es materia oscura”, explica Makler. Ese porcentaje es consistente con el observado en otros análisis del Universo a gran escala.

Según los científicos, ese resultado es compatible con lo previsto en el modelo más aceptado actualmente para explicar el comportamiento del Universo desde el Big Bang, hace 13.800 millones de años, hasta los días actuales: el Lambda Cold Dark Matter, o Lambda CDM. Dicho modelo propone que algo menos del 70% de todo (energía y materia) lo que compone al Universo corresponde a la denominada energía oscura, una forma desconocida de energía que parece hallarse latente en el espacio vacío. Alrededor de un cuarto del cosmos estaría compuesto por materia oscura, formada por partículas que no emiten ni absorben luz, y el 5% restante por la materia normal.

“Puede que no parezca gran cosa corroborar el modelo aceptado actualmente como patrón”, dice Makler, “pero se debe tener en cuenta que ese constituye un preludio de lo que está por venir, puesto que nuevos proyectos examinarán áreas mucho mayores del firmamento con una calidad de imagen muy similar a la nuestra”. El investigador del CBPF comenta que, para la banda de cielo mapeada ahora, hacía falta un relevamiento con alta resolución que permitiera entrever los detalles. “Eso fue lo que decidimos hacer: el mayor estudio de un área contigua de la bóveda celeste con esa resolución”, relata.

058-061_LentesGavitacionais_223-02Desde el punto de vista técnico, fue un desafío considerable. Al no interactuar con la luz, sino tan sólo con la materia común por medio de la gravedad, la presencia de la materia oscura se calculó mediante la distorsión causada en la trayectoria de la luz de galaxias distantes, el mencionado efecto de lente gravitacional, que puede variar de intensidad de acuerdo con la distribución de masa entre las galaxias que sufren dicho efecto y los observadores en la Tierra.

Relatividad
Las lentes gravitacionales son algunos de los diversos efectos previstos por la teoría de la relatividad general, formulada por el físico alemán Albert Einstein (1879-1955). Einstein modificó la forma de comprender la gravedad al demostrar que el espacio y el tiempo son maleables, especialmente bajo el efecto de objetos con gran masa, tales como estrellas, galaxias o conglomerados galácticos. Siglos antes, Isaac Newton había explicado a la gravedad como una fuerza de atracción que un cuerpo con cierta masa ejerce sobre otro. Con base en las ideas de Newton, lo que se entiende como atracción gravitatoria y, por ejemplo, provoca que la Tierra gire en torno al Sol, a partir de Einstein pasa a comprenderse simplemente como el resultado de la curvatura del espacio generada por la masa solar, como si la estrella fuera una bola de boliche colocada encima de un colchón. Si el espacio se distorsiona por el efecto de objetos cuya masa es muy elevada, eso significa que la luz también puede curvarse al atravesar por esa zona del espacio. Una de las consecuencias de esa alteración en la trayectoria de la luz al atravesar esa región consiste en que la imagen de un objeto más lejano puede amplificarse (observe la infografía).

En la práctica, podrían ocurrir cosas bastante más complejas. “La imagen también podría duplicarse, estirarse y distorsionarse, entre otros fenómenos”, explica el físico Miguel Quartin, de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), quien viene utilizando el efecto de la lente gravitatoria para el estudio de las supernovas, explosiones estelares que se encuentran entre los principales “instrumentos” utilizados para medir la expansión acelerada del Universo.

Las lentes gravitacionales pueden incluso presentar intensidades diferentes, siendo fuertes o débiles. La versión fuerte del fenómeno, en el cual aparece, por ejemplo, una fuerte distorsión y amplificación de la imagen, sólo ocurre si el objeto que funciona como lente posee una masa muy elevada y en el caso en que se produzca un alineamiento muy preciso entre dicho objeto, el observador en la Tierra y la fuente lumínica (la galaxia más lejana cuya forma se ve distorsionada). En tanto, en la versión débil es necesario tener en cuenta distorsiones bastante más leves, generadas por la sumatoria de la influencia gravitatoria de objetos situados en torno a la región que se observa. “En ese caso, la distorsión puede ser muy sutil”, dice Makler, del CBPF.

Así como los efectos de las lentes gravitatorias estudiadas por los físicos del CBPF representan una promesa de disminución de algo de esa aura de misterio en torno de la materia oscura, los estudios efectuados en la UFRJ por el equipo de Miguel Quartin están relacionados más directamente con un componente del cosmos aún más enigmático: la energía oscura. Una de las principales herramientas utilizadas para medir la intensidad de la energía oscura, que funciona como una especie de antigravedad, repeliendo a los objetos y provocando que el Universo se expanda en forma acelerada, son las supernovas del tipo Ia (1a).

El brillo de mil soles
En la UFRJ, Quartin, Tiago Castro y Valerio Marra, con la colaboración de un investigador de Alemania, revelaron recientemente que se debe tener en cuenta el efecto de las lentes gravitacionales para el estudio de esas supernovas.

Si bien surgen de los despojos de estrellas de pequeño porte ‒las enanas blancas, probable destino del Sol, de aquí a 7 mil millones de años‒, las supernovas liberan cantidades prodigiosas de energía. El brillo deslumbrante emitido durante la explosión de una supernova funciona como una excelente candela estándar y vale como una especie de señalador cósmico. Esto sucede porque las supernovas Ia emiten un brillo de una intensidad conocida y estable. Además, se sabe que la intensidad aparente de una fuente luminosa disminuye a medida que aumenta la distancia existente entre ella y el observador. En realidad, la intensidad aparente de una fuente lumínica disminuye proporcionalmente al inverso del cuadrado de la distancia entre la luz y quien la percibe. Al mapear la presencia de ese tipo de supernova en el Universo exterior, es como si los astrónomos estuvieran contemplando una hilera de postes de luz a lo largo de una avenida, donde las luces más débiles indican los puntos más distantes.

Sin embargo, en el caso del cosmos, también existe el hecho de que esa carretera se está estirando. Eso es algo que queda claro cuando se tiene en cuenta otro fenómeno, el denominado desvío hacia el rojo, que es el equivalente óptico de la distorsión del sonido de una sirena cuando una ambulancia se está alejando velozmente de alguien. Así como las ondas sonoras se distorsionan con el movimiento, las ondas lumínicas emitidas por una estrella que se está alejando de la Tierra también sufren una alteración en su longitud desde la perspectiva del observador, tendiendo hacia el rojo. La comparación entre la distancia calculada mediante las candelas estándar y el desvío hacia el rojo constituye uno de los principales indicios de que el Universo se está expandiendo en forma acelerada, a expensas de la energía oscura.

No obstante, Quartin recuerda que esa regla aparentemente sencilla para calcular la intensidad de la luz de las supernovas raramente resulta suficiente para que esos objetos funcionen como buenos parámetros de la expansión cósmica. Los problemas que interfieren en la intensidad observada en las supernovas van desde cosas prosaicas, tales como nubes de polvo interestelar entre la supernova y la Tierra, que provocan que el objeto parezca menos brillante de lo que en realidad es, hasta distorsiones en la intensidad de la luz causadas por las lentes gravitatorias.

En trabajos recientes, Quartin y sus colegas se valieron de modelos de distribución de la materia en el cosmos para corregir la interferencia suscitada por esos fenómenos, entre ellos, las lentes gravitatorias y la luz emitida por las supernovas. “La idea también fue dar un paso más allá y evaluar si, por medio de las supernovas y las lentes gravitacionales, se podría entender algo más acerca de la estructura del Universo y al respecto de cómo se distribuye la materia en el mismo”, dice Quartin.

Al aplicar esa proposición en el caso de casi 700 supernovas Ia ‒algunas de las cuales emitieron la luz registrada ahora, hace casi 8 mil millones de años‒, el equipo de la UFRJ comprobó que eso es efectivamente posible. “Se trata del primer resultado obtenido con una nueva técnica, que cincide con lo que se sabe a partir de otros métodos”, dice Quartin. “Lo importante, es que a la hora de la verdad, la técnica aprobó el examen”.

Quartin resalta que, en los próximos 10 años, en lugar de 700 supernovas, se dispondrá de los datos de unas 100 mil para ese tipo de cálculos. Entonces sí será posible alcanzar niveles elevados de precisión y determinar si las informaciones derivadas de esta metodología alteran lo que se conoce sobre la materia y la energía oscura. “Si esas metodologías coinciden, perfecto; si no, será porque alguna de las hipótesis está errada y se logrará determinar dicha inconsistencia al analizar el mismo fenómeno con técnicas diferentes”, explica. “Así es como avanza la ciencia”. Se espera que los progresos de ese tipo aporten indicios sobre la naturaleza de esos dos componentes del cosmos, que, por ahora, sólo pueden investigarse basándose en los efectos que ellos producen.

Artículos científicos
SHAN, H. et al. Weak lensing mass map and peak statistics in Canada-France-Hawaii Telescope Stripe 82 survey. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. v. 442. jun. 2014.
LI, R. et al. First galaxy-galaxy lensing measurement of satellite halo mass in the CFHT Stripe 82 Survey. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. v. 437. ene. 2014.
MARRA, V.; QUARTIN, M.; AMENDOLA, L. Accurate weak lensing of standard candles. I. Flexible cosmological fits. Physical Review D. 5 sept. 2013.
QUARTIN, M.; MARRA, V.; AMENDOLA, L. Accurate weak lensing of standard candles. II. Measuring 8 with supernovae. Physical Review D. 28 ene. 2014.
CASTRO, T.; QUARTIN, M. First measurement of 8 using supernova magnitudes only. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters. 10 jul. 2014.

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