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30/4/16 - DJ:

Poética cosmológica para investigar la energía oscura

T.E.L: 6 min.

¿Pueden los cúmulos de galaxias ser considerados como muñecas rusas de la investigación cosmológica? ¿Quizás son "boyas cósmicas flotando en el mar del Universo"? De astronomía, espantapájaros y poesía.




A lo largo de una década que llevo adelante este pequeño blog, algo he aprendido gracias a la crítica. Jaime García, destacado astrónomo aficionado, dedicado a las estrellas variables, me enseñó alguna vez, a través de una crítica, que el concepto de "cúmulos galácticos" no puede referir a cúmulos de galaxias. Los primeros refieren a cúmulos de estrellas, como los globulares que si bien no forman parte de la galaxia están fuertemente relacionados a ella, por caso, la Vía Láctea, rondando su núcleo. Se le dice núcleo "galáctico" justamente porque esa palabra sugiere "que pertenece a la galaxia". Por eso, si queremos aludir a agrupaciones de galaxias, el término es cúmulo de galaxias y no cúmulo galáctico. He aprendido esa lección y la agradezco públicamente.

Un comunicado del Observatorio Chandra 1, de rayos-X, cuenta que los astrónomos han usado datos obtenidos con ese instrumento, así como de Planck y una larga lista de telescopios ópticos para desarrollar un poderoso nuevo método para investigar la energía oscura, esa misteriosa energía que se postula es la que explicaría la aceleración de la expansión universal.

La técnica se basa en la observación de que los límites exteriores de los cúmulos de galaxias -las más grandes estructuras en el universo, unidas por gravedad- muestran similitud en sus perfiles de emisión de rayos-X y tamaños. Los cúmulos más masivos son simplemente versiones escaladas de los menos masivos, explica el comunicado. Cabe agregar que también existen otras estructuras llamadas supercúmulos, agrupaciones de cúmulos de galaxias.

Andrea Morandi, de la Universidad de Alabama en Huntsville, explica cuasi poéticamente:
"En este sentido, los cúmulos de galaxias son como muñecas rusas, siendo las pequeñas similares en forma a las más grandes. Conociendo esto, nos permite comparar y determinar con mayor precisión sus distancias a través de miles de millones de años luz".

Al usar estos cúmulos como marcadores de distancia, los astrónomos pueden medir cuán rápido el universo se expandía a diferentes tiempos desde el Big Bang. De acuerdo a la teoría general de la relatividad, la tasa de expansión es determinada por las propiedades de la energía oscura más la cantidad de materia en el universo, donde la última está mayormente compuesta por material invisible, pero detectable, comúnmente referida como materia oscura.

Si los parámetros cosmológicos asumidos (por ejemplo las propiedades de la energía o materia oscura) fueran incorrectos, entonces los distantes cúmulos no serían similares, esto es, sus tamaños serían mayores o menores de lo esperado. Los parámetros cosmológicos están entonces ajustados para todos los cúmulos, como para que con diferentes masas y distancias, parezcan similares. El proceso es parecido a determinar el peso desconocido de un objeto al agregar o sustraer pesos conocidos de una balanza de dos lados hasta equilibrarlos.

Estos resultados, publicados en un paper realizado por Morandi y un colega suyo 2, confirma estudios anteriores sobre las propiedades de la energía oscura que no habría cambiado a lo largo de miles de millones de años. También apoyan la idea de que la energía oscura es explicada mejor por la "constante cosmológica", que Einstein propuso y que es equivalente a la energía del espacio vacío.

En un repaso histórico simple, luego de publicada la Teoría General, algunos físicos notaron que tal teoría supondría que el espacio no sería estático. Si la fuerza de gravedad fuese dominante y existiera una cierta cantidad cantidad de materia, el universo se contraería. Cuando Einstein se dio cuenta de esto y en virtud de que todo el mundo consideraba (hasta mediados de la década de 1920) que el universo era estático, hizo una modificación a su teoría agregando una variable repulsiva que equilibrara a la gravedad y de esa manera hacer al universo aparentemente estático. Poco tiempo después los hallazgos de Hubble mostraban que el universo no era como se suponía y Einstein consideró a esa variable, llamada Constante Cosmológica, uno de sus mayores errores.
Las vueltas del descubrimiento científico no dejan de sorprender, ya que desde fines de la década de 1990 los astrónomos señalan que la expansión del universo se ha acelerado, al estudiar supernovas tipo Ia. Desde entonces se consideró que aquel "error" del alemán, podría no serlo, en un sentido. Debe haber una "fuerza" que explique esa aceleración y desde entonces se recuperó en alguna forma la idea de Einstein.

"Aunque hemos buscado fuertemente otras explicaciones, todavía parece que la energía oscura se comporta como la constante cosmológica de Einstein", indicó Ming Sun, coautor del paper en cuestión.

Los investigadores estudiaron 320 cúmulos de galaxias con distancias desde los 760 millones de años luz a los 8,7 mil millones de años luz. Esto comprende la era cuando la energía oscura causó que el entonces universo en expansión se acelerara.

Para determinar con más precisión los resultados, los astrónomos usaron datos combinados de observatorios ópticos de supernovas y el trabajo realizado con el satélite Planck sobre el fondo cósmico de microondas.



Aquí vemos imágenes de cuatro de los cúmulos de galaxias estudiados. Muestran datos de rayos-X de Chandra y luz óptica obtenida con Hubble y SDSS.
Los cuatro son: Abell 1835,MS 1455.0+2232, RXJ 1347.5-1145, ZWCL 3146. El primero a una distancia aproximada de 3 mil millones de años luz (z=0,253). Los restantes: 3,1; 4,7 y 3,3 (en miles de millones de años luz de distancia, aproximada) respectivamente. Vemos estos cuatro cúmulos en tres conjuntos de imágenes: En la primera (imagen inicial del post) son datos combinados. En estas de aquí vemos datos ópticos y datos de rayos-X.

"La naturaleza de la energía oscura es uno de los mayores misterios en física, por lo que es crucial inventar nuevas herramientas para estudiar sus propiedades, dado que diferentes métodos pueden tener muy diferentes suposiciones, fortalezas y debilidades", explicó Morandi y añadió: "Pensamos que esta nueva técnica tiene la habilidad de proveer un gran salto sobre la comprensión de la energía oscura".

La poética cosmológica: boyas y mamushkas
La metáfora con muñecas rusas surge del siguiente razonamiento: La cantidad de materia en el universo (dominado por materia oscura) y las propiedades de la energía oscura (que los astrónomos llaman parámetros cosmológicos) afectan la tasa de expansión del universo y, por tanto, cómo cambian los distantes objetos con el tiempo. Si los parámetros cosmológicos usados son incorrectos y se infiere que un cúmulo se aleja más rápido que el valor correcto, entonces el cúmulo parecerá mayor y más débil debido a esta propiedad de "muñeca rusa".

Según explican los astrónomos en el paper, a estos cúmulos de galaxias se los considera similares no en su totalidad, sino particularmente en sus partes exteriores.

La emisión de rayos-X de esas partes es la que se compara y suma, excluyendo las partes centrales porque existen grandes diferencias entre las propiedades de diferentes cúmulos causadas por estallidos de supermasivos agujeros negros y la formación estelar.

En el sitio del Observatorio Chandra, el Dr. Andrea Morandi (de origen italiano, claro) cuenta su perspectiva personal científica respecto de este trabajo 3.

Señala que en el verano 2015 al ver un gráfico en un paper se definía a los cúmulos de galaxias como "faros cósmicos". Sin embargo, pensó, si lo fueran no "sentirían" las propiedades físicas subyacentes del universo. En cambio, pensó en otra metáfora: los cúmulos serían como "boyas cósmicas flotando en el mar del universo".

Siguiendo con la metáfora, explica en el blog de Chandra, podemos darnos cuenta si ese "mar" está agitado o calmo (o cuán rápido el universo se expande por la energía oscura) al observar las boyas. Con los datos de 320 cúmulos, explica, pueden los científicos medir la tasa de expansión del universo al estudiar cómo la energía oscura aleja a los cúmulos que actúan como boyas cósmicas. Todo un legado poético para la ciencia cosmológica.

Morandi y la poesía
En una página personal, Morandi dice ser un amante de la poesía 4 y cita frases de la película "La sociedad de los poetas muertos", por ejemplo. Tanto en ese sitio como en el blog de Chandra se publica una foto personal del astrónomo al lado de un espantapájaros. Quizás el italiano no conozca a Girondo. No lo sé. Pero el conocimiento se trata de eso. Del saber que no sabemos.
Es imposible no relacionarlo con el famoso caligrama de Girondo en Espantapájaros (al alcance de todos) de 1932 5. Invito a ver el video y leer la entrada aquí indicada.




Fuentes y enlaces relacionados

1 "Russian Doll" Galaxy Clusters Reveal Information About Dark Energy
http://chandra.si.edu/press/16_releases/press_042816.html

2 Andrea Morandi and Ming Sun
Probing dark energy via galaxy cluster outskirts
MNRAS 2016 457: 3266-3284.
DOI: 10.1093/mnras/stw143

arXiv:1601.03741 [astro-ph.CO]
http://arxiv.org/abs/1601.03741

3 Chandra Blog: "Russian Doll" Galaxy Clusters Reveal Information About Dark Energy
http://chandra.si.edu/blog/node/595

4 Sitio personal del Dr. Andrea Morandi
https://sites.google.com/a/uah.edu/andrea-morandi/Personal

5 Blog La biblioteca de Jules: La amistad de la palabra y la imagen
https://labibliotecadejules.wordpress.com/tag/caligrama/

Sobre las imágenes

Créditos: X-ray: NASA/CXC/Univ. of Alabama/A. Morandi et al; Optical: SDSS, NASA/STScI

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