Los cinco misterios que Euclid ayudará a resolver: ESA

Paris, Francia, Europa.- Observando el Universo más allá de nuestra Galaxia, Euclid tratará de desentrañar los misterios de la red cósmica, así como la forma en la que la materia oscura invisible y la  energía oscura influyen en la estructura y el curso del cosmos.

Euclid abordará dos temas principales del programa Cosmic Vision de la ESA: ¿Cuáles son las leyes físicas fundamentales del universo? Y ¿Cómo se originó el universo y de qué está compuesto? 

Entonces, ¿qué misterios concretos resolverá Euclid?

1. ¿Cuál es la estructura y la historia de la red cósmica?

La materia en el universo está dispuesta en forma de una enorme red con una estructura semejante a una «telaraña cósmica».  Esta red está formada por enormes cúmulos de galaxias conectadas entre sí por hilos de gas y materia oscura invisible.  Entre ellas se extienden gigantescas regiones vacías denominadas «vacíos cósmicos».  La investigación de esta red cósmica resulta difícil debido a su gran tamaño, ya que contiene vacíos cósmicos de cientos de millones de años luz de diámetro.

Euclid estudiará de forma exhaustiva más de un tercio del cielo, recopilando información sobre las formas, tamaños y posiciones de miles de millones de galaxias.

En su escrutinio en profundidad del firmamento, Euclid también mirará hacia atrás en el tiempo, ya que verá diez mil millones de años de historia cósmica.  Esto se debe a que cuanto más lejos se encuentra una estrella de nosotros, más tiempo tarda su luz en alcanzarnos.  Al cartografiar con precisión la forma y distribución de un gran número de galaxias, Euclid revelará la estructura y la historia de la red cósmica.  Aunque la materia oscura resulta invisible para nosotros, su presencia distorsiona la luz procedente de galaxias lejanas.  Este efecto se denomina «lente gravitacional» y puede ser observado por Euclid, revelando así la distribución de la materia oscura a lo largo del universo.

2. ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura?

A pesar de haber sido objeto de investigación desde hace décadas, aún no sabemos qué constituye la masa que falta en el universo y que se conoce como «materia oscura».  Hasta la fecha, las comparaciones de distintos modelos cosmológicos con las observaciones apuntan a la hipótesis de que la mayor parte de la oscuridad está formada por partículas «frías», lo que significa que son pesadas y se mueven con relativa lentitud. No obstante, es muy posible que parte de la materia oscura consista en partículas ligeras que se mueven a una velocidad cercana a la de la luz, denominadas materia oscura «caliente».  La pregunta sigue siendo cuanta materia oscura, si es que hay alguna , es caliente.

La materia oscura caliente podría estar formada por unas partículas fantasma denominadas «neutrinos», que apenas interactúan con otro tipo de materia.  Aunque, en un principio, se supuso que los neutrinos no poseían masa, actualmente existen pruebas de que podrían tener una masa muy pequeña.

Gracias a las mediciones precisas de Euclid sobre la estructura cósmica, podemos descubrir la masa total de neutrinos presente en nuestro universo y, de este modo, saber cuanta cantidad de materia oscura pueden constituir.  A pesar de su atracción gravitatoria, el rápido movimiento de los neutrinos implica que tienden a ralentizar la formación de estructuras y a difuminarlas.

El descubrimiento más emocionante sería aquel que no nos esperamos.  Las incomparables observaciones de Euclid del universo extragaláctico podrían revelar la existencia de nuevas clases de partículas de movimiento rápido.  ¡El detective del universo oscuro ya está trabajando en el caso!

3. ¿Cómo ha cambiado la expansión del Universo a lo largo del tiempo?

En la década de 1990, los cosmólogos hicieron el sorprendente descubrimiento de que el universo se expande más rápidamente que antes.  El universo lleva expandiéndose desde su nacimiento con el Big Bang, pero, hasta hace poco, los científicos suponían que la velocidad a la que se expande disminuiría con el tiempo, ya que la gravedad de toda la materia del universo debería contrarrestar la expansión.  Comprender la aceleración de dicha expansión continúa siendo uno de los retos más apremiantes de la cosmología y de la física fundamental.

Las pruebas del cambio en la velocidad de expansión se basan en las diferencias de brillo y color observadas en las denominadas «velas estándar»: objetos astronómicos con una luminosidad constante y conocida.  Los objetos más lejanos nos parecen más tenues, mientras que la expansión del espacio-tiempo alarga la longitud de onda de la luz en su camino hacia nosotros, lo que genera un efecto de enrojecimiento llamado «corrimiento al rojo». Euclid también medirá el corrimiento al rojo de las galaxias, que nos indica su distancia respecto a nosotros.

Al escanear más de un tercio del cielo con un telescopio lo suficientemente sensible como para ver la luz que ha tardado 10 000 millones de años en llegar hasta nosotros, Euclid nos dirá cómo ha cambiado el ritmo de expansión del Universo a lo largo del tiempo. 

Gracias a su gran visión angular, Euclid también investigará si la expansión se produce igual en todas las direcciones.  De no ser así, se incumpliría lo que se conoce como el «principio cosmológico», según el cual, el universo, cuando se observa a una escala lo suficientemente grande, presenta el mismo aspecto en todas las direcciones (isotropía) y desde todos los lugares (homogeneidad).  Esta regla fundamental constituye la base de casi todos los modelos y análisis utilizados en cosmología.

4. ¿Cuál es la naturaleza de la energía oscura?

Además de conocer los detalles de cómo se expande el universo ahora y cómo lo ha hecho en el pasado, también queremos saber qué impulsa esta expansión.  Los cosmólogos han bautizado a este componente desconocido del universo como «energía oscura».  Nadie sabe de qué está hecha, ni siquiera si es una forma de energía. 

La mejor hipótesis de trabajo es algo que Albert Einstein sugirió en 1917.  Einstein Introdujo en sus cálculos la «constante cosmológica», un campo de energía constante presente en todo el universo.  Se trata de una propiedad intrínseca del vacío del espacio, por lo que cuanto mayor sea su volumen, más «energía del vacío» (energía oscura) estará presente y mayores serán sus efectos. 

Pero existen otras teorías alternativas.  Por ejemplo, la aceleración podría ser el resultado de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza que evoluciona con la expansión del universo.  Al contrario de la constante cosmológica, esta «quintaesencia» sería dinámica, dependería del tiempo y no estaría distribuida de modo uniforme por el espacio.

Cada explicación de lo que es la energía oscura modifica sutilmente la forma en la que la aceleración se comporta a lo largo del tiempo cósmico, pero, hasta ahora, ningún experimento ha logrado medir la aceleración con suficiente detalle como para discriminar entre las posibles soluciones.  Las mediciones extremadamente exactas y precisas de Euclid cambiarán esta situación, y cabe que revelen la verdadera naturaleza de la energía oscura

5. ¿Comprendemos del todo la gravedad?

Tanto la existencia de materia oscura como la aceleración de la expansión del universo sugieren que algo importante se nos está escapando.  Estos dos descubrimientos sorprendentes tienen algo en común: están relacionados con la gravedad.  La gravedad es lo que mantiene unidos a los planetas, a las estrellas, a los sistemas solares e incluso a las galaxias.  La experimentamos todos los días: mantiene nuestros pies pegados al suelo y hace que las cosas caigan hacia abajo en lugar de hacerlo en cualquier otra dirección.

La mejor teoría que tenemos para describir la gravedad es la relatividad general de Albert Einstein.  Postula que la gravedad no es una fuerza de atracción literal, sino una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo provocada por los objetos masivos.  Así, un objeto con masa deformaría el espacio-tiempo de forma parecida a como una pelota pesada empuja hacia abajo la lona de una cama elástica.    Al curvarse la lona de la cama elástica, las pelotas menos pesadas situadas sobre la lona rodarán automáticamente hacia el centro.

La relatividad general también presenta otras implicaciones, como la existencia de agujeros negros y ondas gravitatorias; el tiempo pasa más rápido o más lento para distintos observadores en función de su velocidad y aceleración relativas, así como de la fuerza de atracción gravitatoria que experimentan; además, las trayectorias de la luz también se ven afectadas por la gravedad.

Las predicciones de la relatividad general han resultado ser correctas reiteradamente.  Sin embargo, esta teoría no ha podido ponerse a prueba de forma precisa a grandes distancias y tiempos que Euclid va a analizar.  De este modo, Euclid revelará si la relatividad general se sostiene o no a las escalas más grandes.  Si es así, los físicos tendrán que volver a replantearse todo desde el principio.