A project of the Dark Energy Survey collaboration

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Nuestra oscura y enmarañada telaraña: pistas sobre la energía oscura

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Un intrincado y sutil patrón que cambia lentamente, acecha bajo un mar de luz. Se construye a partir de fuerzas cósmicas en la sombra, casi invisibles. Entre agrupaciones y marañas de galaxias yacen inmensos vacíos. Y mientras que cada galaxia, con sus miles de millones de estrellas, tiene una historia y evolución únicas desde su nacimiento, no perdemos de vista el bosque por culpa de los árboles. En su conjunto, el patrón de cúmulos y vacíos en nuestros mapas de galaxias puede informarnos acerca de las fuerzas oscuras que dan forma a nuestro universo.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Mapeado de las galaxias con el Sloan Digital Sky Survey hasta dos mil millones de años de distancia. Los puntos rojos y verdes indican las posiciones de las galaxias, siendo los rojos los que indican una mayor densidad de galaxias. Los sectores negros en los laterales son regiones del cielo inaccesibles por el proyecto.

Observando la imagen de la Cámara de Energía Oscura (arriba), vemos multitud de objetos celestes, incluyendo varias manchas azules, rojas y amarillas, muchas de las cuales son galaxias distantes. Podría parecernos que estas galaxias están distribuidas aleatoriamente por el cosmos. Sin embargo, los astrónomos que mapean sus posiciones a lo largo de grandes distancias, han averiguado que se hallan organizadas en estructuras de escala cósmica que abarcan inmensas regiones del espacio y el tiempo, mucho más amplias de lo que puede capturar esta imagen. En la figura de la derecha, del proyecto Sloan Digital Sky Survey, muestra este mapa para millones de galaxias. Éstas se acumulan en “grumos” y “filamentos” (zonas con muchas galaxias), dejando grandes vacíos entre ellos (con pocas o ninguna galaxia). Algunas de estas estructuras filamentarias se extienden a lo largo de miles de millones de años-luz, es decir, ¡60 billones de veces la distancia de la Tierra a la Luna!

Como buenos detectives, no podemos ignorar un patrón como éste. ¿Cómo pueden las galaxias, separadas por distancias hasta miles de millones de años-luz, coalescer finalmente en estas grandes estructuras cósmicas que vemos hoy en día? La “mente” detrás de esta operación cósmica es un viejo amigo (y enemigo) nuestro aquín en la Tierra: la fuerza de la gravedad.

Usando simulaciones por ordenador, los astrónomos investigan cómo funciona la gravedad entre tantas galaxias y a distancias tan enormes. La simulación Millenium y otras como ella, muestran que una distribución aleatoria de materia se acumula de manera natural en filamentos y vacíos a través de la fuerza de la gravedad. Cuando comparamos estadísticamente los resultados de las simulaciones con nuestros datos (observaciones de muchas galaxias),  los patrones son los mismos: la influencia de la gravedad a través del universo visible ha creado esta descomunal estructura filamentaria, que ha sido denominada la “telaraña cósmica”.

Millennium simulation: https://i2.wp.com/www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/seqB_063a_half.jpg

La simulación Millenium: las áreas más brillantes se corresponden a aquellas en las que existe una mayor concentración de materia y galaxias (puedes ver más sobre esta simulación en este vídeo).

 ¿Qué significa ésto para los detectives que trabajan en el Dark Energy Survey? Resulta que la gravedad tiene un némesis contra el que lucha en su objetivo de crear esta ordenada telaraña: la energía oscura, la fuerza invisible causante de la expansión acelerada del espacio en nuestro universo. Cuanto más rápido crece el espacio con esta aceleración, mayores son las distancias que deben viajar estas galaxias para formar filamentos y cúmulos. Si hay más energía oscura, la gravedad necesita más tiempo para atraer a las galaxias entre sí, y la telaraña se forma más lentamente. Si no hubiera energía oscura, la telaraña se construiría con mayor rapidez. Estudiando a qué velocidad se ha generado esta telaraña aprendemos cómo ha evolucionado la intensidad de la energía oscura, y cómo lo hará en el futuro.

 

La evolución de la estructura de la telaraña cósmica es clave para entender la batalla entre la gravedad y la energía oscura y estudiar esta última. Sirve además para contestar una pregunta muy concreta: ¿existe siquiera la energía oscura?

La mayor parte de los astrónomos está de acuerdo en que hay una evidencia aplastante para la existencia de la aceleración cósmica. Por varias razones, la hipótesis más plausible para explicar la misma parece ser una nueva fuerza o una nueva e invisible energía “oscura”. La alternativa más sólida es las posibilidad de que haya que cambiar las leyes que hemos establecido para la gravedad (concretamente, la teoría de la relatividad general de Einstein). Debido a que físicos y astrónomos han probado estas leyes en numerosas ocasiones tanto en la Tierra como en el Sistema Solar y en el interior de las galaxias, este cambio sólo podría manifestarse como un efecto a escalas mucho más grandes. Un cambio en estas leyes podría estar causando la impresión de que existe una aceleración cósmica si aplicamos la formulación incorrecta, de tal modo que no existiría la energía oscura.

 Esta segunda hipótesis re-escribiría nuestro caso sobre la telaraña cósmica. Quizás en vez de estar luchando contra una fuerza desconocida (la energía oscura), lo que ocurre es que simplemente la gravedad no se propaga de la manera que esperábamos, a grandes distancias. Las medidas de la telaraña cósmica, junto con otras medidas de la aceleración cósmica, serán claves para desentrañar si estamos ante un campo de batalla entre la gravedad y la energía oscura, o si simplemente la gravedad funciona de manera diferente a lo que imaginábamos. Cualquiera de estas conclusiones (¡o quizás alguna incluso más extraña!) supondrá una revisión fundamental de nuestras nociones sobre cómo funciona el universo.

A medida que el Dark Energy Survey acumula más y más imágenes hermosas de cientos de millones de galaxias durante los próximos cinco años, nuestros detectives seguirán registrando cuidadosamente sus posiciones, mapeando la telaraña, esperando identificar qué fuerzas están actuando en la oscuridad.

 

Detective Ross Cawthon

Imagen: Detectives Marty Murphy y Reidar Hahn

Traducción: Nacho Sevilla


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Nuestra oscura y enmarañada telaraña: ¿Dónde está Wally?

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Las estructuras cósmicas entrelazadas entre sí durante el tira y afloja entre la gravedad y la energía oscura representan un reto de múltiples caras para los científicos, ya que tratamos de desenredar cada galaxia individualmente de la cacofonía luminosa de filamentos y cúmulos, a través de enormes extensiones en el espacio y el tiempo.

Nos encanta admirar las imágenes tomadas por la Cámara de la Energía Oscura (DECam) en el telescopio Blanco. La que incluimos en esta entrada muestra un cúmulo de galaxias sobre un fondo de otras galaxias aún más lejanas. Para investigar los misterios de la expansión acelerada, los científicos del Dark Energy Survey (DES), deben ir un poco más allá de la simple observación casual. Necesitamos desarrollar un censo exhaustivo del contenido de materia a lo largo y ancho del universo: ¿cuántas estrellas y galaxias hay en una muestra dada del espacio-tiempo?

Un paso crucial en este proceso es la creación de una lista detallada y fiable de los objetos celestes observados denominados “catálogos” por astrofísicos y astrónomos. Las piezas de información más básicas son la posición y el brillo: ésta es la información mínima necesaria para saber dónde reside una galaxia dada de dicho catálogo en el espacio-tiempo .

Gracias a los científicos que trabajan duramente en el equipo de gestión de datos del proyecto y a los potentes ordenadores del Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación estadounidense (NCSA), DES ha desarrollado nuevos algoritmos y datoductos para extraer eficazmente los objetos a partir de nuestras imágenes.

Comenzamos con imágenes en bruto directamente desde DECam, que luego refinamos para eliminar artefactos, como trazas de satélites, rayos cósmicos y píxeles defectuosos. A partir de estas imágenes procesadas o “reducidas”, buscamos y caracterizamos objetos individuales, como galaxias y estrellas, separando el grano de la paja.

Sin embargo, hay un límite a lo que podemos llegar a hacer. Por ejemplo, un objeto muy lejano puede aparecer extremadamente pequeño y débil – tan débil que se confundirá con el resto de la señal proveniente cielo y no será detectado durante el proceso de catalogación. En algunos casos, no es posible diferenciar entre un objeto débil y una sección particularmente ruidosa del cielo. Además, no todos los objetos astronómicos están “dispuestos” a ser catalogados así por así: pueden estar ocultos como parte de otro objeto. Por ejemplo, cerca del centro de la imagen de hoy, hay una galaxia grande y brillante con varios vecinos más pequeños. Discernir todos los objetos en este caso es similar a la dificultad que uno podría tener en fijarse en una pulga en una foto de un elefante.

Los objetos también tienden a “esconderse” de los algoritmos que los buscan cuando un pedazo del cielo está repleto de ellos. ¡Detectar un objeto pequeño se hace tan difícil como encontrar a Wally en una playa atestada!

DES toma imágenes más detalladas que las de proyectos anteriores como el Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Por lo tanto, estamos más afectados por este problema. Vemos una telaraña más enredada. Como solución, un grupo de científicos de DES ha empleado un algoritmo de restauración de imágenes, derivado del trabajo de especialistas en visión computerizada. Este algoritmo elimina con éxito el impacto de vecinos cercanos al catalogar los objetos escondidos. Tras la aplicación a imágenes de DES, han sido capaces de encontrar muchos “Wallys”, que podemos añadir a los catálogos.

Para una descripción más detallada del método, podéis encontrar un borrador del artículo en: http://arxiv.org/abs/1409.2885 (en inglés).

 

Detectives YuanYuan Zhang y B.Nord

Imagen: Detectives Marty Murphy y Reidar Hahn.

Traducción: Nacho Sevilla

 


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A traves del mundo, observando toda la noche

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Durante la pasada semana, los detectives del Dark Energy Survey (DES) provenientes de cuatro continentes se han reunido para sacar a la luz más pruebas de cómo el tejido del espacio-tiempo se está estirando y evolucionando.

Más de 100 detectives se reunieron en Sussex, Inglaterra, para discutir el estado actual y el futuro del proyecto que se lleva a cabo en el telescopio Blanco, ubicado en Cerro Tololo en Chile. En esta reunión semestral de la colaboración (que se celebra en una sede distinta cada vez), trabajamos en la creación de estrategias de análisis para los diversos métodos de estudio de la evolución del espacio-tiempo y la energía oscura. Mientras escribo estas líneas, los primeros resultados se están preparando para su publicación.

Mientras, en Cerro Tololo, un equipo de observadores opera la Cámara de Energía Oscura (DECam) en el telescopio Blanco, a medida que progresamos en la segunda temporada de observación del muestreo. Cada una de estas temporadas va de agosto a febrero, coincidiendo con el verano chileno.

El Telescopio Anglo-Australiano en el Observatorio de Siding Spring en Australia es la sede de OzDES: un proyecto a largo plazo para la obtención de medidas de distancia muy precisas de los objetos descubiertos por DES, tales como cúmulos de galaxias y supernovas. Estas medidas “de seguimiento” constituyen pruebas muy importantes para dilucidar la naturaleza de la energía oscura .

Y en Cerro Pachón, justo al este de Cerro Tololo, otro equipo compuesto por dos agentes comenzó a buscar evidencias de zonas del espacio con una gran curvatura en el cosmos distante, utilizando el Telescopio Gemini Sur (@GeminiObs). Pasamos seis noches trabajando en la medida de distancias muy precisas a sistemas con las llamadas “lentes gravitacionales fuertes”. Estos sistemas están constituidos por galaxias y grupos de galaxias que son lo suficientemente masivos como para distorsionar significativamente el tejido del espacio-tiempo. Espacio y tiempo se deforman tanto, que los rayos de luz que proviene de los objetos celestes – como galaxias y cuásares – que se encuentran detrás de estas galaxias masivas, se curvan significativamente a su paso por estos sistemas. Las imágenes resultantes en DECam se estiran o incluso multiplican – al igual que en una lente óptica. En futuros informes ampliaremos los detalles sobre este fenómeno.

Al mismo tiempo, las supercomputadoras del Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación estadounidense (NCSA) procesan los datos de DECam cada noche, convirtiendo las imágenes en bruto en datos “refinados” – listos para ser analizados por los equipos científicos .

La imagen de arriba no muestra ninguna lente gravitacional fuerte obvia, pero constituye un ejemplo de la calidad de la “evidencia” que genera DES para sus detectives todas las noches.

Abajo os incluimos las posiciones de algunas de las galaxias que véis arriba. ¿Qué información podéis encontrar acerca de ellas? Existen varias herramientas electrónicas “forenses” que os pueden ayudar en vuestra investigación (por ejemplo,  http://ned.ipac.caltech.edu/forms/nearposn.html , tened cuidado de introducir las coordenadas en el formato correcto, como se muestra más abajo). Podéis tuitear vuestros hallazgos en @darkenergdetec, y así comparar nuestras notas.

RA: 304.3226d,    Dec: -52.7966d

RA: 304.2665d,    Dec: -52.6728d

RA: 304.0723d,     Dec: -52.7044d

 

Buenas noches, y no dejéis de mirar al cielo.

 

Det B. Nord

Imagen: Det M. Murphy

Traducción: Nacho Sevilla Noarbe

 


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Afluentes del tiempo: hojas de otoño

DES2111-0124_20140923_03_gri_20140923_000.cut.edit1.6-1000pxEn el hemisferio norte, a medida que comienza la transición hacia el invierno, vemos los síntomas de este proceso en los cambiantes colores de las hojas. El animado tono verde del verano da paso a los amarillos, naranjas, rojos y morados del otoño. Las células vivas de las hojas tienen instrucciones sobre cómo reaccionar a ambientes más frescos y fríos. Esta reacción reduce la producción del pigmento verde, la clorofila, lo que permite que otros colores (creados por los pigmentos de los carotenoides y antocianinas ) prevalezcan. Cuando regrese la primavera, también lo harán las hojas, de nuevo con abundante clorofila productora de oxígeno. Año tras año, vemos este ciclo de muerte y renacimiento en el follaje a nuestro alrededor .

Pero… ¿y si fuéramos insectos? ¿Qué pasaría si, al igual que la moscas, viviéramos durante sólo uno  o dos días? ¿Tendríamos alguna forma de entender el inmenso tapiz en evolución que nos rodea? Imagina un único día en la Tierra, observando las hojas por todo el mundo – en diferentes ambientes y en diversos estados de salud y edad. Con sólo este día para crear una imagen coherente, ¿seríamos capaces de reconstruir el funcionamiento interno de este ciclo con estas pistas?

Este es el reto al que nos enfrentamos en la comprensión del ciclo de vida de las galaxias, las hojas de nuestro árbol cósmico de materia y luz. Para estos objetos celestes, de hecho somos como las moscas, que sólo viven durante un abrir y cerrar de ojos en escalas cósmicas de tiempo.

Observa la multitud de remolinos de polvo en la imagen de arriba. Sus colores abarcan todo el arco iris visible y más allá. Cada mancha de luz contiene miles de millones de estrellas. A través de nuestros telescopios, imágenes y espectrógrafos, aprendemos sobre los tipos de productos químicos de la materia que reside dentro de las galaxias. A través de la comprensión de la gravedad y la mecánica cuántica, vinculamos esta información a los posibles procesos físicos que están teniendo lugar.

De manera análoga a las hojas del árbol, los colores de las galaxias son el resultado de sus componentes químicos y reflejan su edad. Las galaxias azules, todavía jovenes, son lo suficientemente frías para estar todavía formando estrellas, porque sus estrellas jóvenes y el gas que las envuelve liberan luz azul al cosmos. Las galaxias rojas han visto como su periodo de formación estelar se extinguía: su gas ahora es demasiado caliente para que fuerza de la gravedad pueda colapsarlas en ardientes esferas. Estas galaxias rojas y muertas representan el final del ciclo de vida galáctico .

Si bien tenemos formas de observar las entrañas de las galaxias, aún no existe la manera de observar cómo se forma una galaxia, y mucho menos ver su vida entera. Cada una representa su propio afluente del río del tiempo, su propio pedazo del rompecabezas en la delta de la red cósmica .

Det. B. Nord

Imagen: Dark Energy Camera [Edited and logged by Det. M. Murphy]

Traducción: Nacho Sevilla