14 de diciembre de 2006

Radiación de alta frecuencia puede hacer visible a la materia oscura

Imagen: Max Planck Institute for Astrophysics

Los investigadores del Instituto Max Planck, de Garching, Alemania, R. Benton Metcalf y S.D.M. White, prueban que un radiotelescopio gigante podría dar imágenes de alta resolución que mostrarían la distribución de la masa cósmica. Las estrellas y el gas que vemos en las galaxias, componen sólo un bajo porcentaje del material gravitando en el Universo. La mayor parte del resto continua siendo invisible y constituye una forma de materia nunca vista desde la Tierra. Metcalf y White han descubierto, sin embargo, que un gran radiotelescopio puede tomar fotos de cualquier cosa que gravite, rivalizando con las imágenes tomadas por telescopios ópticos.

La imagen anexada revela la distribución de masa en una zona del cielo, del tamaño de un cuarto del área de la Luna Llena. Estas imágenes fueron elaboradas por el estudiante de doctorado Stefan Hilbert usando la simulación Millennium, la simulación por computadora más grande de la formación de estructura cósmica. El panel izquierdo representa la imagen tomada con un radio telescopio de baja frecuencia con un diámetro de 100 kilómetros, usando la distorsión gravitacional de imágenes estructuras pre-galácticas en la distribución de hidrógeno neutro. El panel derecho representa la imagen de la misma región del cielo usando un telescopio óptico, en el espacio, para medir la distorsión gravitacional de una galaxia distante. El contraste de la segunda imagen es tres veces el de la primera, para que sean eliminadas pequeñas características.

Cuando la luz viaja hacia nosotros desde objetos distantes, su paso es "curvado" ligeramente por los efectos gravitacionales de los objetos por los que pasa. Este efecto fue primeramente observado en el año de 1919 cuando la luz de estrellas distantes paso cercana a la superficie del Sol, probando la Teoría de Gravedad de Einstein. Esta curvatura de la luz provoca distorsión en las imágenes de galaxias distantes análoga a la distorsión de una escena distante vista a través del cristal de una ventana no transparente o de la superficie de un lago, cuyas aguas estén en movimiento. La fuerza de la distorsión puede ser usada como medición de la fuerza de la gravedad de los objetos lejanos y de sus masas. Si la medición de la distorsión está disponible para un suficiente número de galaxias distantes, estas pueden ser combinadas para realizar un mapa de la masa de primer plano.

Esta técnica ha producido mediciones precisas de masas típicas asociadas con galaxias en primer plano, así como para hacer un mapa de la masa de un número de cúmulos de galaxias individuales. Sin embargo sufre de algunas limitaciones fundamentales. Aún con un gran telescopio en el espacio, este sólo puede ver un limitado número de galaxias de fondo, con un máximo de aproximadamente 100.000, en un área del cielo del tamaño de la Luna llena. Mediciones de aproximadamente 200 galaxias se deben hacer para detectar la señal de distorsión gravitacional de un área tan pequeña para que la masa detectada sea de aproximadamente un 0,2% de una Luna llena. Las imágenes resultantes son inaceptablemente distorsionadas. Un segundo problema es que muchas galaxias distantes en las cuales se mide la distorsión, teniendo enfrente muchos cúmulos de masa no son afectadas por su gravedad. Para hacer imágenes más definidas de la masa en una dirección, requieren más fuentes distantes. Los Científicos del MPA Ben Metcalf y Simon White mostraron que la emisión de radio proveniente de épocas de antes que las galaxias se formaran, podría proveer estas fuentes.

Unos 400.000 años después de la Big Bang, el Universo se enfrió lo suficiente para que la mayoría de la materia ordinaria se transformara en un difuso, casi-uniforme y neutral gas de Hidrógeno y Helio. Pocos cientos de millones de años después la gravedad amplifico estas no-uniformidades a un punto en que las estrellas y las galaxias pudieron formarse. Su luz ultravioleta calentó el gas difuso de nuevo. Durante este recalentamiento y durante un extenso lapso, el hidrógeno difuso fue calentado y enfriado más que la radiación dejada por el Big Bang. Consecuentemente fueron absorbidas las ondas de radio emitidas a una longitud de onda de 21 centímetros. La expansión del Universo causo que esta radiación fuera visible hoy en día a longitudes de ondas de entre 2 y 29 metros, y un número de radiotelescopios de baja frecuencia hoy en día son construidos para buscar esto. Uno de los más avanzados es el Low Frequency Array (LOFAR) en Holanda, un proyecto en el cual el Instituto Max Planck para Astrofísica ha planeado tomar un rol significativo, conjuntamente con otras instituciones alemanas.

El hidrógeno pre-galáctico tiene estructuras de todos los tamaños y son los precursores de las galaxias. Existen más de 1000 de esas estructuras a diferentes distancias en una sola línea de visión. Un radio telescopio puede separar estas estructuras a diferentes distancias, dando señales a diferentes longitudes de onda. Metcalf y White mostraron que la distorsión gravitacional de estas estructuras permitirá que un radiotelescopio produzca imágenes de alta resolución de la distribución de masa cósmica más de diez veces mejores (más definidas) que las realizadas con las distorsiones por galaxias. Si un objeto similar, en masa, a la Vía Láctea, puede ser detectado y volver en el tiempo a cuando el Universo tenía únicamente el 5% de la edad actual. Esto es 100 veces el tamaño planeado para una parte central cubierta del LOFAR y aproximadamente 20 veces más grande que el núcleo cubierto por el SKA (Square Kilometre Array), actualmente en discusión. Un telescopio tan gigante podría hacer un mapa de la distribución completa de la masa gravitacional del Universo.

Metcalf y White han mostrado que hacer mapas de masa de una gran fracción del cielo es posible con un instrumento del SKA y podrá medir las propiedades de la energía oscura más precisamente que cualesquier otro método previo, y más de 10 veces que los mapas (de tamaño similar) más precisos realizados con distorsiones gravitacionales de imágenes ópticas de galaxias.

Más información en:
http://www.mpg.de/