Por Rebecca Allen y Sara Webb, Universidad Tecnologica de Swinburne (Melbourne-Australia)
En Australia, los astrónomos están utilizando tecnologías de vanguardia para capturar el cielo nocturno, con la esperanza de abordar eventualmente algunas de nuestras preguntas más importantes sobre el universo.
A medida que nosotros y nuestros colegas profundizamos en el cosmos, en busca de explosiones cósmicas, nuestras observaciones están ayudando a arrojar luz sobre misterios de larga data y dando paso a caminos de investigación completamente nuevos
Foto del campo. Crédito de la imagen: Sara Webb, proporcionada por el autor.
Las erupciones cósmicas llenan el cielo
El programa Deeper, Wider, Faster (DWF) de la Universidad de Swinburne, en el que uno de nosotros (Sara Webb) trabajó durante su doctorado, se desarrolló para buscar las explosiones más rápidas y misteriosas del universo.
Pero para comprender qué causan las explosiones cósmicas, debemos “mirar” estos eventos con múltiples ojos, a través de diferentes telescopios alrededor del mundo. Hoy los llevaremos en un viaje utilizando datos de uno de estos telescopios, el Victor Blanco de 4m, en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile.
El telescopio Victor Blanco de 4m en Chile. Este telescopio tiene una cámara de energía oscura adjunta. Crédito de la imagen: Rebecca Allen
Primero, las más de 60 imágenes individuales tomadas del campo de visión de este telescopio se combinan en un mosaico. Dentro de ellos vemos miles de fuentes brillantes.
Este es un ejemplo de datos de la cámara de energía oscura tomados por el programa DWF. Esta imagen es de una sección enorme del cielo. Crédito de la imagen: Sara Webb
Estas imágenes se transfieren a través del Pacífico para ser procesadas en la supercomputadora OzStar de Swinburne, que es más poderosa que 10,000 computadoras portátiles personales y puede manejar miles de trabajos diferentes a la vez.
Una vez cargadas, las imágenes se dividen en trozos más pequeños. Aquí es cuando empezamos a ver detalles.
En la foto aparecen algunas de las galaxias visibles dentro de recortes más pequeños de datos enviados al programa DWF desde el telescopio Víctor Blanco. Crédito de la imagen: Sara Webb
Pero las galaxias de arriba, por espectaculares que sean, todavía no son lo que estamos buscando. Queremos capturar nuevas “fuentes” resultantes de estrellas moribundas y explosiones cósmicas, que podemos identificar haciendo que nuestras computadoras busquen luz en lugares que no se habían detectado previamente.
Una fuente podría ser muchas cosas diferentes, incluida una estrella en llamas, una estrella moribunda o un asteroide. Para averiguarlo, debemos recopilar información continua sobre su brillo y las diferentes longitudes de onda de la luz que emite, como radio, rayos X, rayos gamma, etc.
A la izquierda hay una imagen antigua de un parche de cielo y a la derecha hay una imagen actualizada con una nueva fuente que acaba de ocurrir. Es probable que esta sea una estrella fulgurante o un asteroide. Crédito de la imagen: Sara Webb
Una vez que detectamos una fuente, monitoreamos los cambios en su brillo durante las próximas horas y días. Si pensamos que puede representar una explosión cósmica poco común, activamos otros telescopios para recopilar datos adicionales.
Mirando hacia el pasado distante
Las galaxias son vastas colecciones de estrellas, gas, polvo y materia oscura. Varían en forma, tamaño y color, pero los dos tipos principales que vemos en el universo de hoy son espirales azules y elípticas rojas. Pero, ¿cómo se forman? ¿Y por qué hay diferentes tipos?
Los astrónomos saben que las formas y los colores de una galaxia están vinculados a su evolución, pero todavía están tratando de averiguar exactamente qué formas y colores están vinculados a vías de crecimiento específicas.
Creemos que las galaxias crecen en tamaño y masa a través de dos canales principales. Producen estrellas cuando sus vastas nubes de hidrógeno colapsan bajo la gravedad. A medida que más gas se transforma en estrellas, aumentan de tamaño.
Gracias a la tecnología espacial como el telescopio espacial Hubble y los potentes telescopios terrestres, los astrónomos ahora pueden mirar hacia atrás en el tiempo para estudiar el crecimiento de las galaxias a lo largo de la historia del universo.
Esto es posible ya que cuanto más lejos está una galaxia, más tiempo viaja su luz para llegar a nosotros. Debido a que la velocidad de la luz es constante, podemos determinar cuándo se emitió la luz, siempre que sepamos la distancia entre la galaxia y la Tierra (lo que se denomina “desplazamiento al rojo”).
Medí este crecimiento como parte de mi doctorado, tomando imágenes de galaxias que existen en diferentes corrimientos al rojo desde cuando el universo tenía solo mil millones de años, y comparando sus tamaños.
Una selección de galaxias distantes detectadas en mi estudio del crecimiento de galaxias a lo largo del tiempo. Estos parecen muy diferentes a las galaxias cercanas. Crédito de la imagen: Rebecca Allen
Cuando las galaxias se fusionan
Al mirar alrededor del universo de hoy, vemos principalmente galaxias agrupadas. Los astrónomos creen que la naturaleza de los alrededores de una galaxia o su entorno puede afectar sus vías de crecimiento, de manera similar a cómo las personas en las grandes ciudades pueden acceder a más recursos que en las áreas rurales.
Cuando se agrupan muchas galaxias, pueden interactuar. Y esta interacción puede estimular ráfagas de formación de estrellas dentro de una galaxia en particular.
Dicho esto, este brote de crecimiento puede ser de corta duración, ya que el gas y las estrellas pueden eliminarse a través de la interacción gravitacional entre múltiples galaxias, lo que limita la formación y el crecimiento de estrellas en el futuro en una sola galaxia.
Esta imagen fue capturada con el telescopio espacial Hubble. Muestra un grupo de galaxias espirales, que los astrónomos pueden determinar claramente debido a la alta resolución de la imagen. Crédito de la imagen: Rebecca Allen
Pero incluso si una galaxia no puede formar estrellas, aún puede crecer fusionándose con galaxias más pequeñas o consumiéndolas. Por ejemplo, la Vía Láctea consumirá algún día las nubes de Magallanes más pequeñas, que son galaxias enanas. También se fusionará algún día con la galaxia de Andrómeda, un poco más grande, para formar una galaxia gigante.
Sin embargo, aunque se han realizado muchos estudios para analizar la evolución de las galaxias, todavía no podemos decir que todas nuestras preguntas hayan sido respondidas.
Se necesitaron miles de millones de años para que se formaran los cúmulos de galaxias que observamos hoy. Pero si los astrónomos pueden aprovechar las últimas tecnologías y mirar más lejos que nunca, es de esperar que obtengamos pistas sobre cómo el entorno de una galaxia puede afectar su crecimiento.
En la foto aparecen dos grupos de galaxias distantes que existían cuando el universo tenía una cuarta parte de su edad actual. Estos grupos de galaxias eventualmente se unirán y formarán una estructura similar al cúmulo de Virgo. Los he estudiado a ambos para aprender más sobre cómo están creciendo las galaxias dentro de ellos. Crédito de la imagen: Rebecca Allen
La flexión del espacio-tiempo revela secretos
Con décadas de observaciones y millones de galaxias capturadas en estudios, los expertos tienen muchas teorías sobre cómo se forman las galaxias y cómo evoluciona el universo. Este campo se llama cosmología.
Gracias a Albert Einstein, sabemos que la fuerza gravitacional de los objetos masivos en el espacio hace que el espacio se doble. Esto se ha observado a través de un fenómeno conocido como “lente gravitacional”, donde grandes cantidades de materia se concentran en un área dentro de objetos como agujeros negros, galaxias o cúmulos de galaxias.
Su gravedad distorsiona el espacio-tiempo, actuando como una lente gigante para revelar imágenes deformadas de objetos más distantes detrás de ellos. Usando estos “lentes”, los astrónomos han desarrollado formas de encontrar y estudiar galaxias distantes que de otra manera estarían ocultas a la vista.
Un juego de lentes galaxia-galaxia. La gravedad masiva de la galaxia en primer plano distorsiona el espacio-tiempo, actuando como una lente que revela una imagen deformada de una galaxia de fondo distante. Crédito de la imagen: Rebecca Allen
Estas observaciones continúan impulsando nuestra comprensión de la evolución de las galaxias. Están desafiando nuestras teorías sobre cuándo y cómo se forman y crecen las galaxias.
Un descubrimiento de 2018 realizado por un grupo de investigadores, incluida yo misma, reveló un conjunto de galaxias masivas y ya evolucionadas de cuando el universo tenía solo una sexta parte de su edad actual. Habrían tenido que formarse y crecer extremadamente rápido para adaptarse a nuestros modelos actuales de crecimiento de galaxias.
Una de las galaxias inactivas masivas que nuestro equipo investigará. Aunque es extremadamente grande, sus estrellas más viejas y su distancia hacen que parezca una pequeña pepita roja entre las galaxias mucho más brillantes y cercanas. Crédito de la imagen: Rebecca Allen, proporcionada por la autora.
En una próxima investigación, el profesor de Swinburne, Karl Glazebrook, nos guiará a mi equipo y a mí para convertirnos en algunos de los primeros astrónomos a los que se les otorgara acceso al telescopio espacial James Webb de la NASA para estudiar estas primeras galaxias.
