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¿Quieres saber qué esconde el universo? Conoce los retos más importantes de la astronomía en el siglo XXI

Foto astronomía en el siglo XXI

Por: David Sierra Porta, profesor facultad de Ciencias Básicas de la UTB

 

¿Sabes cuáles son los retos más importantes de la astronomía en el siglo XXI? ¿Te fascina el tema? Conoce información actualizada y los grandes avances

 

Fascinación por la astronomía 

   

La astronomía es un tema definitivamente fascinante, complejo y profundamente gratificante para quienes sienten curiosidad, pasión y sed por aprender y develar los secretos que esconde este universo del cual vemos a simple vista una ínfima parte.

Ocupamos un lugar «privilegiado» en nuestro sistema solar, y finalmente en nuestro universo, pero así mismo conocemos muy poco. Los objetos celestes han sido estudiados por la humanidad durante milenios y son la inspiración de innumerables libros, películas y programas de televisión.

La astronomía es, sin embargo, un tema de estudio en constante desarrollo y en constante cambio, es rica en oportunidades de exploración y preguntas sin respuesta. Los resultados de las investigaciones y los descubrimientos modifican regularmente lo que creemos saber sobre el espacio, lo que proporciona un amplio material para el estudio en diferentes perspectivas.

Es probable que los datos que aprendimos de niños en la escuela se hayan actualizado (por ejemplo, aprendimos que Plutón era nuestro noveno planeta, pero hoy día no es considerado ni siquiera planeta), posiblemente más de una vez.

En esta columna vamos a afrontar la tarea de resumir algunos de los problemas y retos más importantes de la astronomía que pudieran ser de interés a la comunidad científica, y de hecho hoy día están en el centro de la actividad más importante de la astronomía como disciplina.

 

Retos más importantes de la astronomía

 

Lo que presento a continuación quizá está sesgado debido a mis inclinaciones, o lo que pienso yo que pudiera ser realmente importante en términos de retos. De seguro hay muchas más áreas y cosas que son interesantes. Esta es, sin embargo, mi elección personal, que espero recoge la mayor cantidad de expectativas y esfuerzos que desde hace años están en el centro de la actividad en astronomía mundial.

1. Telescopios cada vez más potentes

 

Hoy en día, tenemos telescopios cada vez más potentes, cada vez más grandes, más tecnologizados y más automatizados. En parte, esto es debido a las exigencias propias de la disciplina y también porque la astronomía cambia para adaptarse a retos cada vez más importantes.

Hace años podíamos ver una parte del cielo llegando a la luz de objetos en el universo cercano a millones de kilómetros de distancia, pero nuestro universo no es tan pequeño como pensábamos: ¿es infinito? ¿Hay una frontera? ¿En todas direcciones luce igual? ¿Tiene sentido preguntarse acerca de su dimensión? Esto es más que nada una cuestión filosófica, que no abordaremos acá), por lo que cada vez queremos saber más y mirar más profundo,       con más detalle o       con mayor proyección y extensión.

Estas cuestiones son definitivamente las cosas que hacen avanzar a la ciencia, y en particular a la astronomía; la necesidad de entender más y mejor. Lo que ocurre usualmente es que este proceso a veces produce más preguntas que respuestas, de manera que la disciplina está siempre ocupada en constante movimiento e inventando mejores técnicas, métodos, teorías, para explicar las preguntas que nos hacemos.

 

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Grandes avances gracias a los telescopios

 

La astronomía se encuentra hoy en día en una edad de oro, que comenzó aproximadamente a principios de los años 90 con el lanzamiento del telescopio espacial Hubble,[1] por ahora con 31 años en misión y esperando que su finalización se extienda unos 20 años más. El HST y todas las versiones que vinieron luego, como el telescopio espacial Spitzer[2], han producido imágenes impresionantes.

La astronomía terrestre en longitudes de onda ópticas, infrarrojas y submilimétricas ha logrado avances comparables. El avance más sorprendente se ha producido en la interferometría óptica, que produce resoluciones espaciales antes inimaginables en los telescopios de apertura única.

Los telescopios gemelos Keck[3] situados en Mauna Kea (Hawai), por ejemplo, se denominan ahora Interferómetro Keck. Otros instrumentos y técnicas basados en la Tierra también han hecho enormes progresos con, por ejemplo, el descubrimiento de docenas de planetas extrasolares.

 

Observatorios lunares

 

Teniendo en cuenta estos logros, muchas personas se han preguntado si hay alguna razón para considerar construir observatorios en la Luna. ¿Qué ofrece la Luna que no se consiga ya con los telescopios terrestres o espaciales? La ventaja más evidente de un observatorio lunar es que comparten muchos instrumentos espaciales: un cielo continuamente visible con una ventana espectral ilimitada.

Pero lo que la Luna ofrece de forma única es una superficie, o más exactamente, una superficie sólida, además, hay       poca atmósfera ($10^5$ moléculas/cm$^3$ para materia neutral y menos de 100 iones/cm$^3$ para materia ionizada).

Adicionalmente, nuestra L     una es un escenario estable, sin actividad volcánica (sísmica) significativa (cerca de 10$^8$ veces más débil que la actividad sísmica de la Tierra) y además hay actividad de contaminantes (para la actividad astronómica) como luz de fondo, ondas de radio, radiación radiactiva inducida, astropartículas y rayos cósmicos de 1GeV y 10 TeV, y neutrinos en cantidades muchos menores a los encontrados en la Tierra.

Esto es definitivamente una pregunta abierta en la comunidad científica, los beneficios son enormes y las oportunidades increíblemente ilimitadas, quizá tendríamos un panorama completamente distinto, o un mapa más detallado de lo que tenemos hoy día.

Por ahora no ahondaré en este tema, pero considero que es un escenario de discusión abierto y emergente.

 

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2. Formación de galaxias y cosmología

 

En 1929, Edwin Hubble descubrió después de observaciones y un método constante increíble, que nuestro universo se está expandiendo a una tasa que es directamente proporcional a la distancia. En otras palabras, el universo se expande desde el Big Bang, y lo sabemos porque hay galaxias o grupos de galaxias que se alejan constantemente.

En el universo no hay un centro o un lugar preferente y tampoco hay un límite. Se le suele dar hoy día un valor promedio que está entre 68 y 72 kilómetros por segundo por megaparsec. El parsec es una medida que utilizamos en astronomía y que equivale a 3.26 años luz (o lo que sería lo mismo: casi 40.000 billones de metros). Y un megaparsec son un millón de parsec (3,26 millones de años luz).

Esto es hoy día un intervalo pequeño debido a la evolución constante de observaciones de alta resolución, con alta sensibilidad tanto en la franja del óptico y del infrarrojo a partir de objetos cosmológicos considerados estándares de medición en astronomía, para determinar distancias y velocidades con alta precisión. Sin embargo, desde el punto de vista técnico esto es todavía un intervalo grande, lo que representa uno de los retos más importantes de la astronomía.

Esta medida influye en la mayoría de los parámetros cosmológicos que determinan la composición y estructura de nuestro universo, por lo que una refinación de este valor es de alta importancia. De hecho, una de las realizaciones fundamentales de la cosmología en años pasados fue la confirmación de la composición de nuestro universo.

 

¿Cómo está compuesto nuestro universo?

 

Más del 90% está compuesto por materia no luminosa que recogemos en dos tipos:

  1. Materia oscura: Recoge cerca del 23%
  2. Energía oscura: Representa cerca del 73%
  3. Materia ordinaria: Cerca de un 4%, esto es la materia de la que estamos compuestos y que se encuentra en la tabla periódica de los elementos
  4. Neutrinos: Aproximadamente entre un 0.1 y 2%

Esto nos deja un panorama desalentador, sólo conocemos cerca del 5% de nuestro universo. De lo     s otros      dos componentes no conocemos sino algunas cosas que hemos medido indirectamente a partir de las observaciones de cómo se comporta la materia ordinaria.

 

Necesitamos medir de manera precisa nuestro universo

 

La cuestión ahora consiste en: ¿son estos valores los correctos? ¿Pueden      variar significativamente para establecer mejores límites? Todo esto tiene que ver con la estructura del universo, por lo que, ¿cómo interactúan estas componentes y cuál es la estructura subyacente de la materia y la energía oscuras para producir los patrones que hoy día vemos?

En este sentido, necesitamos medir de manera precisa la estructura de nuestro universo, la gran estructura a gran escala;      hablamos de supercúmulos de galaxias y el vacío cósmico, lo que podemos llamar la Red Cósmica del Universo, un mapa para determinar la distribución de las galaxias. Medir cientos de megaparsecs es definitivamente un reto enorme, con grandes desafíos para aprender y hacer. Varios proyectos apuntan a esta idea.

El Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura[4] ha culminado los primeros meses de su estudio batiendo todos los récords anteriores de estudios tridimensionales de galaxias, creando el mayor y más detallado mapa del universo jamás visto. Sin embargo, sólo ha completado un 10% de su misión de cinco años.

Una vez completado, este mapa tridimensional extraordinariamente detallado permitirá comprender mejor la energía oscura y, por tanto, ofrecerá a los físicos y astrónomos una mejor comprensión del pasado -y del futuro- del universo. Mientras tanto, el impresionante rendimiento técnico y los logros literalmente cósmicos del sondeo hasta ahora están ayudando a los científicos a revelar los secretos de las fuentes de luz más potentes del universo. El DESI es una colaboración científica internacional gestionada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía.

Telescopio espacial James Webb

 

Telescopio espacial James Webb
Foto tomada de: https://www.jwst.nasa.gov/

El telescopio espacial James Webb[5] es un telescopio espacial diseñado principalmente para realizar astronomía infrarroja. Es el más potente jamás lanzado al espacio, y su resolución y sensibilidad en el infrarrojo, mejoradas, le permitirán ver objetos antiguos, distantes y débiles para el Telescopio Espacial Hubble.

Se espera que esto permita una amplia gama de investigaciones en los campos de la astronomía y la cosmología, como las observaciones de las primeras estrellas y la formación de las primeras galaxias.

El JWST fue lanzado en diciembre de 2021 en un cohete Ariane 5 de la ESA desde Kourou, en la Guayana Francesa, y a partir de mayo de 2022 está en fase de pruebas y alineación. Una vez operativo, lo que se espera para finales de junio de 2022, el JWST está destinado a suceder al Hubble como misión emblemática de la NASA en el campo de la astrofísica.

El JWST está diseñado principalmente para la astronomía en el infrarrojo cercano, pero también puede ver la luz visible naranja y roja, así como la región del infrarrojo medio, dependiendo del instrumento.

Puede detectar objetos hasta 100 veces más débiles que el Hubble, y objetos mucho más tempranos en la historia del universo, hasta el desplazamiento al rojo z≈20 (unos 180 millones de años de tiempo cósmico después del Big Bang).

 

Contamos con datos cada vez más precisos

 

A modo de comparación, se cree que las primeras estrellas se formaron entre z≈30 y z≈20 (100-180 millones de años de tiempo cósmico), las primeras galaxias pueden haberse formado alrededor del corrimiento al rojo z≈15 (unos 270 millones de años de tiempo cósmico), y el Hubble es incapaz de ver más atrás que la reionización muy temprana, alrededor de z≈$11.1 (galaxia GN-z11, 400 millones de años de tiempo cósmico).

De modo que el reto ha sido aceptado, lograr la mayor y mejor comprensión de nuestro universo a gran escala en magnitudes de tecnologías impresionantes, más allá de nuestros sentidos. Hay retos adicionales que acompañan a este camino que se ha iniciado. Por ejemplo, la gran cantidad de datos que se esperan son gigantes, por lo que habrá que innovar e inventar maneras para el almacenamiento de datos masivos y procurar computadores para analizar esta enorme montaña de información en tiempos relativamente cortos.

Esta nueva avalancha de datos, con la próxima generación de estudios sinópticos del cielo, conlleva tanto nuevas oportunidades científicas como nuevos desafíos en términos de tasas de datos de telescopios robóticos y complejidad exponencial en los datos enlazados, pero también para los algoritmos de minería de datos utilizados en la clasificación y la toma de decisiones.

 

¡Aún tenemos mucho por hacer!

 

 

[1] https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html

[2] https://www.spitzer.caltech.edu

[3] https://www.keckobservatory.org

[4] https://www.desi.lbl.gov

[5] https://www.jwst.nasa.gov/

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