El telescopio espacial Euclid arrojará luz sobre el universo oscuro

Por University College London 2 de agosto de 2023

La misión Euclid de la ESA es un proyecto muy ambicioso emprendido por la Agencia Espacial Europea (ESA) para investigar y comprender la naturaleza de dos enigmáticos componentes de nuestro Universo: la materia oscura y la energía oscura. Lanzada el 1 de julio de 2023, la nave espacial observará miles de millones de galaxias a una distancia de hasta 10 mil millones de años luz para construir el mapa 3D más preciso jamás creado del Universo. Crédito: ESA

Euclid, a space mission led by the European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La Agencia Espacial Europea (ESA), que incluye una enorme cámara óptica diseñada y construida por investigadores del University College London (UCL), mapeará las estructuras a gran escala del universo para comprender mejor dos componentes misteriosos: la materia oscura y la energía oscura.

Todo lo que podemos ver y detectar en el mundo que nos rodea (las estrellas, las galaxias, las flores, nuestros cuerpos, los átomos) representa sólo el 5% del universo. El resto, según las teorías actuales, está formado por dos componentes: materia oscura y energía oscura. Su existencia se infiere indirectamente. La materia oscura mantiene unidas a las galaxias; La energía oscura está acelerando la expansión del universo. Pero se desconoce cuáles son. Ahora, se ha lanzado un telescopio al espacio para ayudar a desentrañar este misterio.

El profesor Tom Kitching, del Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard de la UCL, es uno de los cuatro coordinadores científicos de la misión Euclid dirigida por la Agencia Espacial Europea. Dice que los datos que trae tienen el potencial de determinar si la energía oscura es o no “energía del vacío”, la energía de partículas virtuales que aparecen y desaparecen en el espacio vacío. De ser así, será necesario revisar las teorías fundamentales de la física de partículas, ya que esta energía del vacío tendría que ser mucho más fuerte de lo que predicen las teorías actuales. Si no, es la teoría de la gravedad de Einstein la que puede estar equivocada. "Cualquier forma sería una revolución en la física", afirma.

Una réplica de la nave espacial Euclid en las instalaciones de Thales Alenia Space en Cannes, Francia, en 2019. Crédito: Stéphane Corvaja/ESA

La misión es un proyecto colaborativo masivo: el consorcio que la propuso por sí solo está formado por 2.000 científicos e ingenieros de 15 países. El telescopio tiene dos instrumentos. Uno, el espectrómetro y fotómetro de infrarrojo cercano (NISP), capturará la luz del espectro invisible del infrarrojo cercano. El otro, llamado VIS, captará la luz visible. El profesor Mark Cropper (Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard de la UCL) (en la foto de abajo) ha liderado el diseño y desarrollo de la cámara óptica VIS durante más de 16 años, trabajando con equipos de la UCL, la Open University y de toda Europa.

Profesor Mark Cropper, Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard de la UCL. Crédito: UCL

La cámara, una de las más grandes jamás enviada al espacio, tomará imágenes panorámicas de alta resolución de una gran franja del universo, remontándose a 10 mil millones de años y cubriendo un tercio del cielo nocturno. Utilizando estos datos, los astrónomos medirán las formas de dos mil millones de galaxias y utilizarán una técnica llamada lente gravitacional débil (viendo cómo la luz de galaxias distantes ha sido curvada por la gravedad de la materia interpuesta en su camino hacia el telescopio) para inferir la forma a gran escala. distribución de la materia visible y oscura con mayor precisión que antes.

Dado que la observación de galaxias distantes nos permite mirar hacia atrás en el tiempo, los astrónomos pueden analizar cómo ha evolucionado la materia oscura a lo largo de la historia del universo. Esto da una idea de la interacción entre la materia oscura (que une a las galaxias) y la energía oscura (que las separa).

VIS’s wide field of view means that, while it will take images nearly as sharp as the Hubble Space TelescopeThe Hubble Space Telescope (often referred to as Hubble or HST) is one of NASA's Great Observatories and was launched into low Earth orbit in 1990. It is one of the largest and most versatile space telescopes in use and features a 2.4-meter mirror and four main instruments that observe in the ultraviolet, visible, and near-infrared regions of the electromagnetic spectrum. It was named after astronomer Edwin Hubble." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Telescopio Espacial Hubble, cubrirá un área mucho más grande del cielo: cubrirá en un día la misma área que cubrió el Hubble durante 25 años. Para visualizar cada imagen se necesitarían 300 pantallas de televisión de alta definición. Durante seis años permitirá medir la forma de más de 1.500 millones de galaxias. "Se trata de imágenes enormes y sin precedentes", afirma el profesor Cropper.

La cámara VIS fue un proyecto paneuropeo dirigido por el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard de la UCL. Su estructura y unidad de calibración procedían de Francia, la persiana de Suiza y una unidad de procesamiento se construyó en Italia. La electrónica central, incluido su conjunto de 36 CCD (que convierten fotones en electrones), se construyó, probó y calibró en MSSL.

Un ingeniero en una sala limpia de MSSL probando un analizador de plasma para el satélite meteorológico espacial Vigil en junio de 2023. Crédito: UCL / James Tye

The laboratory, located in a Victorian mansion in the Surrey Hills, is staffed by 60 engineers and 140 scientists. It has supported 300 space missions. Instruments designed and built at MSSL have reached many corners of the solar system, from MarsMars is the second smallest planet in our solar system and the fourth planet from the sun. It is a dusty, cold, desert world with a very thin atmosphere. Iron oxide is prevalent in Mars' surface resulting in its reddish color and its nickname "The Red Planet." Mars' name comes from the Roman god of war." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Mars to SaturnSaturn is the sixth planet from the sun and has the second-largest mass in the Solar System. It has a much lower density than Earth but has a much greater volume. Saturn's name comes from the Roman god of wealth and agriculture." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Saturno se ha acercado al Sol y ha ayudado a iluminar las galaxias más distantes. Un modelo del primer cohete británico, el Skylark, se encuentra al pie de una escalera.

When I visit shortly before the Euclid launch, engineers in a clean room (pictured above) are testing a plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> analizador de plasma para un satélite meteorológico espacial, Vigil (que se lanzará a mediados de la década de 2020), disparándole iones. El nitrógeno se introduce a través de tubos para mantener fríos los instrumentos, imitando el ambiente en el espacio.

Christine Brockley-Blatt, directora del proyecto VIS, fuera de MSSL. Crédito: UCL / James Tye

Christine Brockley-Blatt (Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard de la UCL) es la directora del proyecto de la cámara VIS. Ella fue responsable de entregar 12 juegos de componentes electrónicos (y dos de repuesto) y apoyar su integración en la nave espacial. (Esto se hizo de forma remota desde MSSL, como lo fue durante la pandemia). Fue “logísticamente extremadamente complejo”, dice, con diferentes equipos transportados de un lado a otro por toda Europa. Además de amplios conocimientos de ingeniería, el puesto requiere paciencia y don de gentes. "Es básicamente un trabajo de mamá", bromea. "Hay que asegurarse de que todos estén bien".

Su emisión de imágenes es, en un sentido, sólo el comienzo del trabajo. Cientos de científicos participarán en el procesamiento de los datos brutos en estadísticas resumidas que los astrónomos podrán comparar con nuestros modelos actuales del universo. Los datos en escala de grises del VIS se combinarán con datos de color del Observatorio terrestre Vera C. Rubin y datos infrarrojos del otro instrumento Euclid, NISP, lo que permitirá al equipo catalogar objetos en términos de brillo y su distancia a nosotros. Los algoritmos que se utilizarán son desarrollos avanzados por derecho propio.

El profesor Benjamín Joachimi (Física y Astronomía de la UCL) es el líder adjunto del equipo al final de este proceso, cuyo trabajo es coordinar los resúmenes y crear una visión general. "Si nos fijamos en una sola galaxia, no nos puede decir mucho", explica. "Pero muchas galaxias pueden informarnos sobre las propiedades del universo".

This process — part of the ground segment, or ground-based element of the mission — is painstaking but crucial. “Every step of the ground segment has to be perfectly done,” says Professor Joachimi. “Any tiny mistake can mess up the science that comes out at the end. Some of the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Los requisitos de precisión se pueden medir en partes por millón”. La visión nítida de las galaxias que tiene Euclides (su mayor resolución en comparación con estudios anteriores del universo) "sube la apuesta sobre la precisión con la que debemos procesar esa información".

Profesor Benjamin Joachimi, en el Observatorio de la UCL, donde los estudiantes universitarios de diversas disciplinas de la UCL pueden aprender astronomía práctica. Crédito: UCL / Mike Lucibella

Además de su papel en el segmento terrestre, el profesor Joachimi también estará entre los científicos que investigarán cómo se comparan los datos con lo que predecirían los modelos matemáticos del universo. Una cuestión clave, explica, es qué tan "grumosa" es la distribución de la materia oscura. El análisis del fondo cósmico de microondas (CMB), restos de una explosión de luz que atravesó el universo unos 380.000 años después del big bang, predice que la materia oscura debería estar más grumosa hoy de lo que las técnicas de lentes débiles consideran actualmente. Quizás alguna nueva física hizo que la materia estuviera menos agrupada. "Nadie tiene una buena teoría para explicarlo", afirma el profesor Joachimi. "Éste es el gran enigma que nos mantiene despiertos por la noche".

El profesor Kitching se encuentra entre los equipos de científicos que compararán las estadísticas resumidas con modelos, para ver si concuerdan con nuestra comprensión actual del universo. Él, al igual que el profesor Joachimi, ha estado involucrado en Euclides desde sus inicios. Para él, el aspecto más impresionante de la misión, explica, no es la ciencia sino la dimensión humana. "Es inspirador porque han sido personas de 15 países y culturas diferentes trabajando juntas durante décadas en un experimento realmente complicado", dice. Espera que pueda servir como ejemplo para colaboraciones internacionales destinadas a solucionar problemas como el cambio climático.

El profesor Cropper, que ha dedicado gran parte de su vida laboral a Euclides, dice que espera con ansias las sorpresas que descubrirá el telescopio. "La gente nunca antes había visto el universo con este nivel de detalle", dice. "Habrá cosas nuevas en cada exposición de 10 minutos enviada a la Tierra".

El profesor Ofer Lahav (Física y Astronomía de la UCL), que participó en los primeros debates sobre Euclides y ha iniciado el papel de la UCL en varios experimentos cosmológicos, dice que la misión "transformará nuestra comprensión de los sectores oscuros del universo y de la formación de superestructuras como como cúmulos y vacíos”.

El modelo de vuelo del instrumento VIS inspeccionado durante las pruebas de vibración en el Centro Espacial de Lieja, Bélgica, en noviembre de 2019. Crédito: CEA (Comisión de Energía Atómica y Energías Alternativas)

Poco antes del lanzamiento, muchos estaban preocupados por el viaje del telescopio al espacio. Varios ingenieros y científicos de la UCL, incluidos el profesor Cropper y Brockley-Blatt, planeaban observar desde cerca en Florida. Los niveles de ansiedad están aumentando, afirmó el profesor Cropper. "El viaje hasta allí es difícil".

Si el lanzamiento tiene éxito, dijo el profesor Kitching, “una revolución en la física está casi garantizada”.

On July 1, 2023, Euclid successfully launched aboard a SpaceXCommonly known as SpaceX, Space Exploration Technologies Corp. is a private American aerospace manufacturer and space transport services company that was founded by Elon Musk in 2002. Headquartered in Hawthorne, California, the company designs, manufactures, and launches advanced rockets and spacecraft. SpaceX's ultimate goal is to reduce space transportation costs and enable the colonization of Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">SpaceX Falcon 9 rocket from Cape Canaveral Space Force Station in Florida, USA. Its instruments were turned on 11 days later. The spacecraft has now reached the second Lagrangian Point, a stable hovering spot about 1.5 million kilometers (1 million miles) from Earth, joining the NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA-led James Webb Space TelescopeThe James Webb Space Telescope (JWST or Webb) is an orbiting infrared observatory that will complement and extend the discoveries of the Hubble Space Telescope. It covers longer wavelengths of light, with greatly improved sensitivity, allowing it to see inside dust clouds where stars and planetary systems are forming today as well as looking further back in time to observe the first galaxies that formed in the early universe." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">El telescopio espacial James Webb y la misión Gaia de la ESA: UCL-MSSL también proporcionó partes de ambas misiones.