Una sopa cósmica con fundamento

En lo más profundo del cosmos, entre las fuerzas oscuras y las energías que le dan vida, arde una llama sobre la que cuece… un caldo.

La historia de la expansión del universo está dominada por la materia y la energía oscura. Sin embargo, son los elementos cotidianos de la tabla periódica los que nos permiten estudiarlo y entender su historia. En esta entrada os proporcionamos una pizca de las ideas sobre cómo comenzó su existencia esta sopa cósmica de elementos.

Casi todos los elementos se crearon en la primera media hora tras el Big Bang. El potaje resultante resultó más bien soso: nueve núcleos de hidrógeno (un protón) por cada núcleo de helio (dos protones) y casi nada del resto. Incluso rebuscando entre mil millones de núcleos, tendrías suerte si encontraras algún sabroso litio de tres núcleos.

Afortunadamente, en los 13700 millones de años posteriores, las cosas se pusieron un poco más interesantes. La fusión nuclear, tan difícil de reproducir en la Tierra, es habitual en las estrellas. Gracias a ella existe el carbono de nuestras células y el hierro de nuestra sangre.

El sabor, densidad y temperatura de esta sopa de elementos varía considerablemente. Pensad en nuestro propio Sistema Solar: desde las presiones y temperaturas extremas del núcleo del Sol, hasta el frío vacío interplanetario. Estas variaciones se repiten por toda la Vía Láctea y en el resto de las galaxias.

Estos tres hechos, que la mayoría de los elementos se crearon poco después del Big Bang, que el universo se enriqueció después y la enorme variabilidad de condiciones para dichos elementos, suponen una gran ventaja para el proyecto Dark Energy Survey.

Tomad como ejemplo los cúmulos de galaxias, como los que aparecen en la presentación que encabeza esta entrada (y descritos con más detalle más abajo). Estas estructuras son tan enormes, que pueden considerarse “mini-universos” por derecho propio. Los cúmulos contienen varias docenas de galaxias, a veces cientos. Entre ellas existe un velo de gas tenue.

Tanto el gas como las galaxias están atrapadas dentro de los confines del cúmulo por la materia oscura. Podría decirse que la materia oscura actúa como la tapa de una cacerola. Así como la tapa evita que se evapore todo el agua, la materia oscura evita que las galaxias, muchas de las cuales se mueven a más de un millón de kilómetros por hora, se dispersen.  Sin embargo, en las fronteras de los cúmulos de mayor tamaño, la energía oscura empieza a competir seriamente con la gravedad, y algunas de las galaxias se ven arrancadas de su cúmulo original. Esta competición entre energía oscura y gravedad a estas escalas es lo que convierte a los cúmulos en magníficas sondas para explorar la energía oscura.

Las partículas de gas se hallan tan calientes que los electrones (cargados negativamente) y los núcleos (cargados positivamente) se separan convirtiendo el gas en un plasma. Éste brilla con intensidad en la zona de los rayos X en el espectro electromagnético, que puede ser detectado por satélites como XMM-Newton y Chandra. El plasma también crea una sombra en el Fondo Cósmico de Microondas (el pulso de luz emitido en todas direcciones unos pocos cientos de miles de años después del Big Bang), de manera que también puede detectarse por radiotelescopios como el South Pole Telescope.

Por contra, los elementos atrapados en las estrellas se hallan mucho más fríos, y a densidades muy superiores, y brillan con fuerza con luz visible. La luz de las estrellas no sólo permite detectar cientos de miles de cúmulos, sino también medir la distancia a los mismos (a través de una técnica conocida como desplazamientos al rojo fotométricos), y hacer estimaciones preliminares de sus masas. Estos valores de masa han de ser refinados antes de poder usar estos cúmulos para hacer cosmología, y la información del plasma de los telescopios de rayos X y radio es esencial para eso.

En la presentación de arriba mostramos varios ejemplos de los cientos de cúmulos registrados por el Dark Energy Survey que han sido observados también por el muestreo de cúmulos de XMM-Newton. La intensidad de la emisión del plasma caliente se indica con los contornos rojos. Los especialistas en rayos X trabajan con ambos conjuntos de datos (luz visible y rayos X) para calibrar las masas de los cúmulos del Dark Energy Survey.

Por último, ¿por qué decimos en el título con “fundamento”? Bueno, resulta que “fundamento” es sinónimo de “quintaesencia”, y este es el término adoptado por los cosmólogos como palabra comodín para referirse a las teorías que permiten una variación en el tiempo en las propiedades de la energía oscura.

Detective Kathy Romer [Universidad de Sussex]

Imagen: Detectives Phil Rooney [Universidad de Sussex] y Chris Miller [Universidad de Michigan].

Traducción: Nacho Sevilla