A project of the Dark Energy Survey collaboration

DECam Images

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Bailando en la oscuridad

 

“Trabaja como si no te hiciera falta el dinero. Ama como si nunca te hubieran hecho daño. Baila como si nadie te observara” – Satchel Paige

Un surtido de cuerpos celestes, grandes y pequeños, bailan toda la noche al son de la silenciosa tonadilla de la gravedad. En la oscuridad que yace más allá de Neptuno, esta compañía de objetos del cinturón de Kuiper (KBOs, por sus siglas en inglés), ha estado bailando como si nadie les observara, hasta ahora.

Es un baile pausado, lento, puesto que los objetos del cinturón de Kuiper tardan siglos en completar una sola órbita. Estos KBOs, cada uno de ellos de unos pocos cientos de kilómetros de tamaño, han sido descubiertos por DES durante los últimos dos años y medio (uno de ellos, fue descrito aquí anteriormente). Imagina que no sabes nada acerca de la gravedad. ¿Qué deducirías de un patrón así? ¿Cómo lo explicarías? Las leyes físicas que producen estos intrincados patrones, sin duda tienen que ser muy complejas ¿no es así?

Nuestros antepasados registraban las andanzas de los planetas noche a noche, estación a estación. Se dieron cuenta de que viajaban por el cielo a ritmos completamente dispares. A veces, parecían pararse para volver sobre sus pasos contra el mosaico celeste de estrellas fijas que servía como referencia para, al poco tiempo, retomar su viaje. Se desarrollaron modelos muy ingeniosos para dar cuenta de esta complicada danza. Pero fueron haciéndose progresivamente más enrevesados, y lo que es peor, empezaron a fallar en su descripción de nuevas observaciones que se hacían con cada vez mayor precisión.

Hicieron falta dos revoluciones científicas, la primera con Copérnico y después con Newton, para demostrar que el movimiento planetario puede ser explicado con una sencilla ecuación, la ley de la gravedad. El patrón oculto de pronto se aclaró.

La grácil pirueta que describe un KBO proviene de la combinación de dos tipos de movimiento. Su órbita, de siglos de duración, produce una deriva lenta hacia el este que lo arrastra aproximadamente lo que abarca la anchura de la cámara DECam en el cielo, cada año. Pero al estar observando estos objetos desde una plataforma móvil (¡la Tierra!) en su movimiento alrededor del Sol, observamos el KBO desde distintos puntos de vista. A veces a 150 millones de kilómetros de un lado del Sol, seis meses después desde 150 millones de kilómetros desde el otro lado y otras veces desde un punto intermedio. Esto resulta en un movimiento de ida y vuelta respecto al fondo de estrellas sobre el que se superpone el movimiento orbital del KBO. Para verlo tu mismo, simplemente extiende un dedo de tu mano delante tuya y observa cómo cambia de posición respecto a los objetos del fondo cuando mueves la cabeza.

La física intenta “destilar” el orden a partir de la complejidad, para explicar la vasta diversidad de fenómenos naturales, con un pequeño número de leyes sencillas. Más adelante, los físicos se dieron cuenta que la ley de la gravedad de Newton se quedaba corta en ciertas situaciones y fue superada por la teoría de la relatividad general de Einstein.

Hoy en día, la gravedad presenta un nuevo misterio para nuestra generación: ¿por qué se expande el universo aceleradamente? Quizás una nueva ley explique el misterio de la energía oscura con tanta elegancia y simplicidad como la ley de Newton explica el baile de los planetas. Y esa esperanza es la que mantiene a los Detectives de la Energía Oscura en pie, pacientemente escudriñando el cielo.

 

Det Dave Gerdes [Universidad de Michigan]

 


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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

 


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Sopa cósmica para a alma

 

Cercado por forças e energias ocultas aos olhos mas que trabalham ativamente no cosmos, um fogo arde… fervendo uma sopa.

A história de expansão do Universo é dominada pela matéria escura e energia escura. Entretanto, são os elementos na tabela periódica que nos permitem estudar e compreender essa história. Nesse artigo damos um gostinho de como a sopa cósmica de elementos surgiu.

Quase todos os elementos apareceram dentro dos primeiros 30 minutos após o Big Bang. O caldo resultante era um pouco “insosso”: 9 núcleos de hidrogênio (um próton) para um núcleo de hélio (dois prótons) e quase mais nada do resto. Você teria que caçar muito, através de bilhões de núcleos, para encontrar um delicioso “naco” de lítio (três prótons).

Felizmente, ao longo dos últimos 13,7 bilhões de anos, a sopa cósmica levou um pouco mais de tempero. A fusão nuclear – tão inatingível na Terra – é corriqueira nas estrelas: temos que agradecer à fusão nuclear pelo carbono em nossas células, pelo ferro em nosso sangue.

O sabor, densidade e temperatura da sopa de elementos varia bastante. Veja o nosso sistema Solar por exemplo: das pressões e temperaturas extremas no núcleo do Sol, ao frio e o vazio do espaço que cerca os planetas. Essas variações se repetem por toda a Via-Láctea e em todas as outras galáxias no universo também.

Esses três conceitos – que todos os elementos se formaram logo após o Big Bang; que uma pequena quantidade de elementos pesados foi adicionada deste então; e que os elementos são distribuídos de forma heterogênea – são de grande utilidade para o Dark Energy Survey.

Veja por exemplo os aglomerados de galáxias, como os que estão no video acima (e descrito em detalhes mais tarde). Essas estruturas são tão grandes que podem ser consideradas mini Universos. Aglomerados contem várias dezenas de galáxias, às vezes até centenas. No espaço entre as galáxias habita uma tênue neblina de gás.

Tanto o gás quanto as galáxias estão presas dentro das fronteiras do aglomerado pela matéria escura. A matéria escura atua como a tampa em uma panela, assim como a tampa impede que a água na panela evapore toda rapidamente, a matéria escura impede as galáxias – as quais estão se movendo a milhões de quilômetros por hora – de fugir. Entretanto, nas bordas dos maiores aglomerados, a energia escura compete com a gravidade e as galáxias começam a escapar. É essa interação entre gravidade e energia escura que faz com que aglomerados de galáxias sejam tão úteis para estudos cosmológicos.

As partículas do gás em aglomerados são tão quentes que elétrons (carga negativa) e núcleos (carga positiva) são separados um do outro (opostos se atraem) – essa forma de gás é conhecida como plasma. O plasma brilha intensamente na parte do espectro eletromagnético conhecida como raio-X e pode ser detectada por satélites como XMM-Newton e Chandra. Esse plasma também produz uma sombra sobre a Radiação Cósmica de Fundo (um pulso de luz emitido por todo o Universo uns cem mil anos após o Big Bang), o que significa que ele também pode ser detectado em radio-telescópios tais como o South Pole Telescope.

Diferentemente do gás, os elementos presos em estrelas são mais frios, e em densidades muito maiores, emitem luz visível. A luz das estrelas permite que o Dark Energy Survey não apenas detecte milhares de aglomerados, mas também meça suas distâncias (através de uma técnica conhecida como “desvio para o vermelho fotométrico”), e faça uma primeira estimativa de suas massas. Essas massas precisam ser refinadas antes de serem usadas em estudos cosmológicos, e observações do plasma feitas por telescópios no raio-X e rádio são fundamentais para isso.

No vídeo acima mostramos alguns exemplos das centenas de aglomerados do Dark Energy Survey que também foram observados pelo levantamento XMM-Newton Cluster Survey. A intensidade da emissão em raio-X vinda do plasma quente é indicada pelos contornos vermelhos. Especialistas em raio-X estão trabalhando com esses dois conjuntos de dados para calibrar as massas dos aglomerados do Dark Energy Survey.

Finalmente… porque “para a alma”? Bom, “alma” pode ser um sinônimo de “quintessência”, e a Quintessência foi um termo adotado por muitos cosmólogos para descrever genericamente teorias que permitem que as propriedades da Energia Escura varie com o tempo.

Det. Kathy Romer [Universidade de Sussex]

Créditos da Imagem: Det.’s Phil Rooney [Universidade de Sussex] e Chris Miller [Universidade de Michigan]

Trad. Det. Ricardo Ogando


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Cosmic soup for the soul

 

Amidst the dark forces and energies at work across the cosmos, a fire brews, a soup simmers.

The expansion history of the Universe is dominated by dark matter and dark energy. However, it is the elements in the periodic table that allow us to study and understand that history. In this posting we give a flavor for how the cosmic soup of elements came into existence.

Almost all the elements came into existence within 30 minutes of the Big Bang. The resulting broth was rather dull: 9 hydrogen nuclei (one proton) to every helium nucleus (two protons) and almost nothing of anything else. Even if you sifted through a billion nuclei you’d still be lucky enough to find anything as tasty as lithium (three protons).

Fortunately, over the intervening 13.7 billion years, the cosmic soup has become a little more interesting. Nuclear fusion – so hard to reproduce on Earth – is common place in stars: we have fusion to thank for the carbon in our cells, to the iron in our blood.

The flavor, density and temperature of the element soup varies widely. Consider our own Solar system: from the extreme pressures and temperatures inside the Sun’s core, to the cold and empty space between the planets. These variations are replicated throughout the Milky Way and in all the other galaxies in the universe.

These three concepts – that most elements were formed just after the Big Bang; that a smattering of heavier elements have been added since then; and that the elements are distributed non-uniformly – are of great benefit to the Dark Energy Survey.

Take for example clusters of galaxies, like those in the slideshow above (described in more detail later). These structures are so enormous that they can be considered to be mini Universes in their own right. Clusters contain several dozen galaxies, and sometimes as may as several hundred. In between the galaxies is the continuous haze of tenuous gas.

Both the gas and the galaxies are trapped within the confines of the cluster by dark matter. The dark matter acts like the lid on a sauce pan, where the lid stops the pan boiling dry, the dark matter stops the galaxies – which are moving at more than a million miles per hour – from flying away. However, at the outer edges of the very largest clusters, dark energy competes with gravity and the galaxies are starting to be peeled away. It is this interplay of gravity and dark energy that make clusters such useful cosmological probes.

The particles in the gas are so hot that electrons (negatively charged) and nuclei (positively charged) are stripped apart – this form of gas is known as a plasma. The plasma shines brightly in the X-ray part of the electromagnetic spectrum and can be detected by satellites such as XMM-Newton and Chandra. The plasma also casts a shadow on the Cosmic Microwave Background (a pulse of light that was emitted throughout the Universe one hundred thousands years after the Big Bang), meaning it can also be detected with shortwave radio telescopes such as the South Pole Telescope.

By contrast, the elements trapped in the stars are cooler, and at much higher densities, and shine in visible light. Starlight allows the Dark Energy Survey to not only to detect hundreds of thousands of clusters, but also to measure their distances (via a technique known as photometric redshifts), and to make a first estimate of their masses. Those masses need to be refined before we can use the clusters for cosmology, and information of the plasma from X-ray and radio telescopes is essential for that.

In the slideshow above we show several examples of the hundreds of Dark Energy Survey clusters that have also been observed by the XMM-Newton Cluster Survey. The intensity of the X-ray emission coming from the hot plasma is indicated by the red contours. X-ray specialists are working with these two datasets to calibrate the masses of Dark Energy Survey clusters.

Finally… why “for the soul”? Well “soul’’ happens to be a synonym for “quintessence”, and Quintessence has been widely adopted by cosmologists as a catch all term to describe theories that allow for a time variation in the properties of Dark Energy.

 

Det. Kathy Romer [University of Sussex]

Image Credit: Det.’s Phil Rooney [University of Sussex] and Chris Miller [University of Michigan]


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Nosso emaranhado escuro: pistas da energia escura

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Oculto sob um mar de luz, um padrão complexo sussurra e muda lentamente. Este é composto de forças cósmicas praticamente invisíveis. Nesse espaço que separa amontoados de galáxias jaz um espaço vazio e árido. Contudo, enquanto cada galáxia, com seus bilhões de estrelas, tem uma história única de nascimento e evolução, devemos tomar cuidado para não deixar de ver a floresta por conta das árvores. Tomado como um todo, o padrão de aglomerados e vazios em nossos mapas de galáxias podem nos dizer muito sobre as forças escuras que dão forma a nosso universo.

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

Levantamento Digital do Céu Sloan (Sloan Digital Sky Survey): Mapa de Galáxias Mapa de galáxias pelo SDSS que alcança até 2 bilhões de anos-luz. Pontos vermelhos e verdes indicam a posição de galáxias, onde pontos vermelhos indicam uma maior densidade de galáxias. Áreas totalmente pretas são partes do céu que são inacessíveis ao levantamento. (Veja também o vôo através do SDSS.)

Olhando a imagem da Camera da Energia Escura (Dark Energy Camera, acima), podemos ver um monte de objetos celestes, incluindo manchas de diferentes cores: azul, vermelho, e amarelo, muitas das quais são galáxias distantes. Pode parecer que elas estão distribuídas aleatoriamente no cosmo. Entretanto, astrônomos mapeando a posição de galáxias espalhadas ao longo de grandes distâncias verificaram que elas estão organizadas em estruturas, em padrões cósmicos que atravessam trechos do tempo e espaço muito maior do que o visto nessa imagem. A figura à direita, do Sloan Digital Sky Survey, mostra um mapa com milhões de galáxias. Essas galáxias parecem se aglomerar em nós e filamentos (áreas com muitas galáxias), deixando para trás espaços vazios (regiões com menos galáxias ou nenhuma galáxia). Algumas das estruturas filamentares se estendem por bilhões de anos-luz – 60 trilhões de vezes a distância entre a Terra e o Sol.

Como qualquer bom detetive, não podemos ignorar um padrão. Como galáxias, separadas por bilhões de anos-luz, se distribuem nessa grande estrutura cósmica que vemos hoje? Parece que o “chefe” dessa operação cósmica é um conhecido amigo (e inimigo) dos terráqueos: a força da gravidade.

Usando simulações feitas em computadores, astrônomos são capazes de investigar como a gravidade atua em tantas galáxias separadas por distâncias tão grandes. A Simulação Millenium, e outras como ela, mostram que uma distribuição inicial quase aleatória de matéria vai naturalmente se concentrar em filamentos e vazios através da atuação da força da gravidade. Quando comparamos estatisticamente os resultados das simulações com nossos dados (observações de muitas galáxias), os padrão encontrados são os mesmos: a influência da gravidade universo afora produziu essa grande estrutura filamentar, a qual é chamada, “A Teia Cósmica”.

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Simulação Millenium: áreas mais brilhantes representam maiores concentrações de matéria e galáxias. (Voe através dessa simulação nesse vídeo)

Mas qual é a importância disso para detetives trabalhando no Dark Energy Survey? Bom, ao que tudo indica, a força da gravidade tem um arqui-inimigo em seu objetivo de criar uma grande teia que atravessa todo o universo: a energia escura, uma força invisível que causa a expansão acelerada do espaço por todo o universo. Quanto mais rápido o espaço se expande e acelera, maior as distâncias que galáxias tem que viajar para formar filamentos e aglomerados. Se existe mais energia escura, a gravidade precisa de mais tempo para juntar galáxias, e a estrutura em forma de teia leva mais tempo para se formar. Se não existe energia escura, a teia é feita rapidamente. Ao estudar a velocidade com que a teia cósmica é construída ao longo do tempo, podemos revelar o quão forte foi a energia escura e se ela está ficando mais forte ou mais fraca.

A batalha entre gravidade e energia escura, contada através da evolução de estruturas na teia cósmica, é chave para estudar a energia escura. De fato, a teia cósmica é especialmente importante para responder uma pergunta bem específica: será que existe mesmo a energia escura?!?

A maioria dos astrônomos concorda que existe um grande número de evidências da expansão acelerada do universo. Por diversas razões, a fonte mais aceitável dessa aceleração é algum tipo de nova força ou de outra forma, de uma energia oculta, “escura”. Mas a principal teoria alternativa é a mudança das leis da gravidade (especificamente, das leis da Teoria da Relatividade Geral de Einstein). Já que físicos e astrônomos testaram exaustivamente as leis de Einstein na Terra, no Sistema Solar, e em galáxias, essa mudança só se manifestaria em escalas maiores. Isso poderia estar causando a aparente aceleração cósmica, de tal forma que não existiria realmente uma energia escura.

Essa segunda hipótese rescreveria nossos arquivos sobre a teia cósmica. Talvez ao invés de uma luta contra a energia escura, a gravidade não tenha o mesmo efeito previsto quando observada ao longo de bilhões de anos-luz. Medidas dessa teia, em conjunto com outras da aceleração cósmica, são fundamentais para nos dizer se nosso universo é um campo de batalha para a energia escura e a gravidade, ou se a gravidade é simplesmente diferente do que pensávamos anteriormente. Seja qual for a conclusão (e quem sabe até uma mais estranha ainda) ela significa uma profunda revisão de nosso entendimento do funcionamento do universo.

A medida que o Dark Energy Survey coleciona mais e mais belas imagens de centenas de milhões de galáxias ao longo de seus cinco anos de duração, nossos detetives vão analisar cuidadosamente suas posições, traçando a teia cósmica, na esperança de identificar que forças estão trabalhando na escuridão.

 

Detetive Ross Cawthon (Universidade de Chicago)

Imagem: Det.’s Marty Murphy e Reidar Hahn

Tradução: Det. Ricardo Ogando


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神秘而错综复杂的宇宙网络:暗能量寻踪

DES0006-4123_20141218_00_gri_20141219_000.edit1.0_950px星海之下,有一个复杂的网络一直在窸窣缓慢地变动着。这一网络由暗黑,近乎不可感知,却又作用于整个宇宙的势力构建。星系成堆成簇,在团簇之间,又穿插了空旷贫瘠的空间。虽然每一个包含了上亿星星的星系都有自己独特的出生和演化故事,我们可不会因此一叶障目。作为一个整体,星系网络上的团簇和空洞可以帮助我们研究决定了宇宙地貌的暗黑势力。

 

Sloan Digital Sky Survey: Galaxy Map

斯隆数字巡天绘制的一直延伸到到20亿光年处的星系分布图。红色和绿色的点显示的是星系的位置,红色的点表示星系的密度较高。本图中完全为黑色的扇形是斯隆巡天没有观测的区域。 (另见SDSS fly-through.)

暗能量相机拍摄的照片(上图)里有无数天体,其中也包括了一些或蓝或红或黄的模糊斑迹,这些斑迹很多都是极为遥远的星系。这些星系也许看起来像是在宇宙中随机分布的。但是,通过在极大尺度上对它们进行定位,天文学家们发现星系的分布有一定的结构,虽然这些结构延伸的空间和时间要比上图中看到的大的大的多。右边由斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)制作的插图中展示的是几百万个星系的分布图。这些星系有时候聚集成团或延伸成线(有比较多的星系),有时候又规避出一个个的空洞(没有或只有很少的星系)。要知道,这些点线状的结构可以延伸几十亿光年——是地球到太阳距离的60万亿倍!

像所有优秀的侦探员一样,我们暗能量侦探是不会放弃对这种有组织有计划的事情追根溯源的。那么问题来了,这些相距几十光年的星系又是怎样形成我们今天所看到的巨大网络的呢?这一鬼斧神工的操盘手其实是我们熟悉的朋友(也可以说是敌人)—— 在地球上就可以感受得到的万有引力。

 

通过计算机模拟,天文学家们已经研究了引力如何在大距离上运作于星系之间。“千禧模拟”(Millennium Simulation) 和一些类似的模拟项目显示,随机分布的物质在引力的作用下会自然而然地形成团,线,和孔洞状结构。统计比较模拟结果和采集的数据(对许多星系的观测),我们发现两者结构的分布是一样的:引力的确影响了整个可见的宇宙,并促成了这些宏伟壮观的丝网状结构,这一网络又被称作“宇宙网络”(cosmic web)。

 

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

千禧模拟:较亮的区域物质和星系更为集中。 (另见 fly-through video).

那么问题又来了,这些东西和暗能量巡天项目(Dark Energy Survey)的侦探们有什么关系呢?其实,引力在搭建宇宙网络这件事情上有一个死敌,就是“暗能量”——那股导致宇宙加速膨胀的势力。宇宙加速膨胀的越快,星系们就需要移动更大的距离以形成团线结构。暗能量越多,引力牵引星系需要的时间就越长,宇宙网络的形成就越慢。若是没有暗能量,宇宙网络的形成便会很快。通过研究宇宙网络形成的快慢,我们可以探知暗能量的强弱以及它的强度是否随时间变化。

 

引力和暗能量的对立状况会反映到宇宙网络的演化史上,这是我们可以研究暗能量的关键。事实上,宇宙网络对确定暗能量是否存在也起到至关重要的作用。

 

大多数的天文学家都承认:宇宙加速膨胀的证据无可置疑。出于很多原因,加速的最可行释源是一种新的但不可见的力量,也即“暗”能量。第二可行的理论解释是引力定律有异常(尤其是爱因斯坦广义相对论)。既然物理和天文学家们已经无数次在地球上,太阳系甚至星系之间证实了爱因斯坦的理论,引力定律的异常只能表现在更大的尺度上。这一异常也可以导致宇宙表面上的加速膨胀,暗能量理论也就不需要了。

 

第二个假设如果成立,我们得重写上述关于宇宙网络的文案。也许引力没有暗能量这个敌人,它只是在几十亿光年的尺度上不如我们预料的那样有效。要想知道引力是不是在和暗能量打架,亦或是引力是否有异常,观测宇宙网络的性质并与其他测量宇宙加速膨胀的方法相结合, 是回答这一问题的关键。这一研究的任何结果(甚至可能有稀奇古怪的结果)都意味着我们对宇宙的认识有了重大进步!

 

五年间,暗能量巡天会拍摄几亿星系的美丽图片。我们的暗能量侦探们正在对这些星系谨慎定位,进而描绘我们的宇宙网络,以借此探究运作于整个网络背后的神秘力量。

 

作者:暗能量侦探 罗斯· 克罗森 , 芝加哥大学(Ross Crawthon, University of Chicago)

图片编辑:  暗能量侦探 马蒂· 墨菲 (Marty Murphy), 瑞达· 哈恩 (Hahn)

翻译:暗能量侦探 张Y(Y. Zhang)

翻译编辑:暗能量侦探 李T (T. Li)

 


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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