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'Euclid': un viaje al pasado para conocer el universo oscuro

El telescopio espacial de la ESA envía sus primeras imágenes en su camino hacia el estudio de las desconocidas energía y materia oscuras

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El universo encierra más de una incógnita. Una de ellas es de qué se compone, ya que sólo se ha podido observar en torno al 5% del mismo. Se calcula que alrededor del 95% del universo está formado por energía oscura y materia oscura, cuya naturaleza continúa siendo un misterio. Para intentar despejar esa incógnita, la Agencia Espacial Europea (ESA) ha lanzado el telescopio espacial Euclid, que despegó el pasado 1 de julio desde Cabo Cañaveral (Estados Unidos), y que esta semana ya ha enviado sus primeras imágenes para probar su instrumental. La misión, que cuenta con la participación de personal de investigación y de ingeniería del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), tiene el objetivo de crear el mapa tridimensional más grande y preciso del universo.

“Las excelentes primeras imágenes obtenidas con los instrumentos visibles y de infrarrojo cercano de Euclid abren una nueva era para la cosmología observacional y la astronomía estadística. Marcan el comienzo de la búsqueda de la naturaleza misma de la energía oscura”, señala Yannick Mellier, líder del Euclid Consortium, en una nota de prensa difundida por la ESA el 31 de julio.

“Se necesita tener una calidad de imagen muy buena para poder resolver las distorsiones que se producen en las galaxias. Necesitamos medir muy bien cómo está distribuida la luz de las galaxias para determinar las distorsiones por efectos de lentes gravitacionales. Cuando estás en la Tierra, la atmósfera distorsiona las imágenes. En galaxias lejanas, la distorsión que proporciona la atmósfera es más grande que la propia galaxia”, dice Francisco J. Castander, científico titular del ICE-CSIC, del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) y principal investigador del consorcio de Euclid en España.

El telescopio Euclid cartografiará un tercio del cielo y registrará miles de millones de galaxias a 10.000 millones de años luz. Gracias a su campo de visión, cubrirá un mayor rango de cielo que otros telescopios espaciales como el Hubble o el James Webb (JWST) a la hora de hacer el cartografiado cosmológico. “En muy poco tiempo, en cuestión de área, Euclid cubrirá mucho más cielo que todo lo que ha hecho el Hubble durante 20 años. El James Webb observa un área muy pequeña y es muy difícil que descubra las galaxias más masivas del universo primitivo”, explica Castander.

En el caso de Euclid, como su campo de visión es muy amplio, “sí que las podrá descubrir. Cuando se descubran, es muy probable que luego el Webb las estudie en detalle, pero Euclid descubrirá muchas cosas en el universo primitivo que serán muy importantes, porque las cosas más masivas que se forman en el pasado siempre son excepcionales y ayudan a entender cómo se forman las estructuras”, añade.

La misión nació en 2008 como resultado de la fusión de dos misiones espaciales: Dune, cuyo objetivo era estudiar los efectos de las lentes gravitacionales desde el espacio; y Space, enfocada en hacer espectroscopía para estudiar el agrupamiento de las galaxias. El 4 de octubre de 2011 la ESA seleccionó la misión Euclid para su implementación. Ese mismo día, la Real Academia Sueca de las Ciencias decidió otorgar el premio Nobel de Física a los científicos Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess por su descubrimiento de la expansión acelerada del universo a través de observaciones de supernovas distantes. La misión fue formalmente adoptada por la ESA en junio de 2012.

En su viaje al universo oscuro, Euclid dará acceso a 10.000 millones de años de historia cósmica, a la luz que emitieron galaxias lejanas hasta 10.000 millones de años luz. Estaremos más cerca de descifrar algunos de los mayores misterios de la cosmología actual, como el ritmo de expansión del universo. “El universo está en expansión y lo que tiene es materia, y la materia experimenta una fuerza gravitacional que siempre es atractiva, con lo cual uno esperaría que la gravedad fuese parando poco a poco la expansión. Pero hay algo extraño, lo que llamamos energía oscura, que es lo que hace que en vez de pararse [el universo] vaya más rápido. Midiendo cómo cambia el ritmo de expansión del universo se miden los efectos de la energía oscura”, detalla Castander.

Euclid también pondrá a prueba la teoría de la relatividad general a grandes distancias, puesto que medirá cómo actúa la gravedad y cómo agrupa la materia. “Si no se confirmara la teoría general de la relatividad, implicaría un cambio de paradigma. Podría volver a cambiar el concepto de cómo funciona la gravedad y eso acabaría siendo revolucionario”, comenta Castander.

“Hasta ahora parece que el tipo de energía oscura es compatible con la constante cosmológica que introdujo Einstein en sus ecuaciones y que la teoría de la relatividad general, hasta donde hemos estudiado, funciona bien, pero con Euclid queremos llegar a más precisión para comprobar si eso es así o no”, añade.

En busca de la tercera dimensión

La misión debe su nombre al matemático griego Euclides, que vivió entre los siglos IV y III a.C. y sentó las bases de la geometría moderna. Al medir la forma, posición y distancia de las galaxias, Euclid permitirá conocer mejor la geometría del universo. Desde el ICE-CSIC y el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) se ha construido un elemento fundamental de uno de los instrumentos de Euclid: la rueda de filtros, que es clave para medir la distancia de las galaxias a la Tierra.

Euclid se compone de un telescopio de 1,2 metros de diámetro protegido por un parasol y de dos instrumentos científicos: una cámara de longitud de onda visible y un espectrómetro y fotómetro de infrarrojo cercano. La rueda de filtros es un dispositivo móvil que forma parte del segundo instrumento.

“Está hecha para poder mirar cuánta energía viene de las galaxias a diferentes longitudes de onda en el infrarrojo cercano. Con eso, lo que podemos hacer es determinar mejor la distribución espectral de energía de las galaxias e intentar determinar lo que llamamos corrimiento hacia el rojo. El corrimiento al rojo te da la distancia a la que está una galaxia”, explica.

“Cuando hacemos una foto, vemos una imagen bidimensional. Si vemos dos estrellas en el cielo, no sabemos cuál está más cerca y cuál está más lejos. Necesitamos la tercera dimensión: si está más cerca o está más lejos. Y eso es lo que medimos con Euclid, con imágenes en diferentes filtros para determinar la distribución espectral de energía y utilizarlas como si fuese un espectrógrafo”, explica Castander sobre la rueda de filtros.

El proceso de diseño, construcción, ensamblaje y validación de la rueda de filtros ha sido delicado y ha requerido hasta 7 modelos. Como apunta Castander, “cuando lanzas al espacio, lanzas con un cohete propulsor que genera muchas vibraciones y tienes que asegurarte de que, cuando lo vas a lanzar, las vibraciones a las que va a estar sometido el instrumento las va a aguantar”.

“Para lanzarse al espacio, las cosas tienen que ser ligeras porque mandar masa cuesta dinero y siempre hay un presupuesto que es muy restringido. Cuando lo construyes, está a temperatura ambiente. Cuando vuela, está a temperaturas muy bajas de hasta -150 °C o -160 °C. Hay que estudiar muy bien qué va a pasar con las contracciones debido a la temperatura”, detalla Castander.

Los ojos de 'Euclid'

Para anticiparse a las imágenes que puede obtener Euclid y optimizar el instrumento, el grupo de trabajo de simulaciones cosmológicas trató de “tener los ojos de Euclid antes de que se lanzase”, señala Santiago Serrano, ingeniero del ICE-CSIC y del IEEC que coordinó este grupo entre 2011 y 2022 dentro del segmento de tierra de Euclid, que es el equipo en tierra y de software para el control de la misión.

El grupo científico, liderado por el investigador Pablo Fosalba del ICE-CSIC y del IEEC, se ocupó de crear los catálogos de galaxias. “Contienen la información que luego Euclid quiere recuperar y quiere entender. Nosotros no desarrollamos ese catálogo, sino que lo metemos dentro de nuestro simulador de imágenes. Hacemos imágenes de píxel, incluyendo el catálogo de galaxias que genera el grupo de cosmología, pero también catálogos de estrellas, de cuásares... Luego incluimos todos los efectos instrumentales. Acabamos con imágenes en crudo, con todos los defectos posibles, para acabar con unas imágenes lo más realistas posibles, que sirven para desarrollar la pipeline que va a corregir esas imágenes y dejarlas listas para hacer el análisis científico final”, explica Serrano.

El destino de Euclid es el punto L2 de Lagrange, que se encuentra a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Está previsto que llegue allí un mes después de su lanzamiento y, tras dos meses de comprobaciones, comenzará el cartografiado del universo. Los datos obtenidos se publicarán de manera anual durante los seis años que durará la misión y estarán disponibles para la comunidad científica global a través del archivo científico alojado en el Centro Europeo de Astronomía Espacial (ESAC) de la ESA, en España.

“Obviamente, en el momento en que el satélite se lance descubriremos cosas que lo mismo no se han tenido en cuenta en las simulaciones y que tendremos que incorporar. También va a ser bastante crítico el desarrollo de simulaciones una vez empiecen a llegar los datos porque compararemos todo lo que hemos asumido hasta ahora con lo que ve el satélite real. Habrá que intentar entender qué cosas no se han tenido en cuenta y que pueden impactar al resto del procesado y de la ciencia”, afirma Serrano.

Serrano trabaja en el desarrollo de la misión Arrakihs, seleccionada por la ESA el año pasado para estudiar la materia oscura, que “se basa mucho en tecnología de Euclid. Para misiones que quieran observar en el visible y el infrarrojo, en particular de astronomía y cosmología, Euclid a nivel tecnológico también es otra referencia. En la misión Arrakihs hay mucha tecnología que nos permite ir más rápido porque ya se ha desarrollado para Euclid”, apunta Serrano.

Esta “es una misión para hacer cosmología y entender el universo. Eso es algo que despierta la curiosidad del ser humano: saber de dónde venimos, cómo es el universo… Es algo que desde un punto de vista científico es muy gratificante, pero creo que desde un punto de vista social es algo que al público general también le interesa”, concluye Castander.

Alba Calejero García / ICE-CSIC Comunicación

comunicacion@csic.es

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