El telescopio espacial Nancy Grace Roman es una de las grandes apuestas de la astronomía contemporánea. Su misión tiene entre sus objetivos principales investigar dos de los mayores enigmas de la cosmología: la materia oscura y la energía oscura. Pero ¿qué significan realmente estos nombres y qué espera encontrar el Roman?
Hay una manera bastante espectacular —aunque algo engañosa— de presentar el problema. Todo aquello que conocemos directamente, desde las estrellas y las galaxias hasta las piedras, los seres vivos y los átomos de nuestro cuerpo, constituiría solamente alrededor del 5 % del contenido del universo. Del resto, aproximadamente otro 27 % sería materia oscura y el 68 % , energía oscura. No son tres «sustancias» observadas directamente en un laboratorio y pesadas por separado: son los componentes que permiten describir de forma satisfactoria las observaciones cosmológicas actuales.
Por otro lado, estas cifras son aproximadas y dependen del modelo cosmológico que utilicemos, pero dan una idea de la magnitud del problema. La mayor parte del universo está constituida por algo cuya naturaleza desconocemos. Y el Roman no pretende fotografiar ese 95 % invisible; su estrategia es observar sus efectos.
Una contabilidad desconcertante
La historia comienza con algo que sí podemos observar: la materia ordinaria. Los átomos forman estrellas, planetas, galaxias y nubes de gas. Podemos detectar esa materia porque emite, absorbe o refleja radiación electromagnética. Es la materia que estudian habitualmente los telescopios. Pero cuando los astrónomos observaron el movimiento de las galaxias y de las estrellas dentro de ellas descubrieron algo extraño. La gravedad producida por la materia que podemos ver no parece suficiente para explicar esos movimientos.
La conclusión que fue ganando terreno durante el siglo XX fue que las galaxias están inmersas en enormes halos de una materia que no emite ni absorbe luz de manera apreciable, pero que sí ejerce gravedad. Es la materia oscura. El adjetivo “oscura” no significa que sea negra. Significa, fundamentalmente, que no sabemos qué es y que no podemos observarla directamente mediante la luz.
Lentes gravitatorias
Hay varias formas de detectar indirectamente la materia oscura. Una de las más intuitivas consiste en observar cómo se mueven las estrellas y las galaxias. Otra aprovecha un fenómeno predicho por Einstein: la gravedad de una concentración de materia curva el espacio-tiempo y, por tanto, también desvía la luz.
Una galaxia muy lejana situada detrás de una concentración de materia puede aparecer ligeramente deformada. Si la distorsión es muy grande hablamos de lente gravitatoria fuerte; cuando las deformaciones son diminutas y afectan estadísticamente a enormes cantidades de galaxias, hablamos de lente gravitatoria débil. Aquí aparece una de las grandes bazas del Roman.
El telescopio observará cientos de millones de galaxias y medirá con enorme precisión sus formas aparentes. Las pequeñas deformaciones producidas por la materia que se encuentra entre ellas y nosotros permitirán reconstruir, estadísticamente, cómo está distribuida la materia —incluida la que no vemos— a lo largo del universo. No veremos partículas de materia oscura. Veremos, por decirlo así, su huella gravitatoria.
¿De qué está hecha la materia oscura?
Sabemos bastante sobre lo que la materia oscura hace y muchísimo menos sobre lo que es. Una posibilidad es que esté formada por algún tipo de partícula todavía desconocida. Se han propuesto numerosos candidatos, pero hasta ahora ninguno ha sido identificado de forma concluyente como la materia oscura. El Roman tampoco será, en sentido estricto, un detector de esas partículas. Su contribución será diferente: al cartografiar la distribución de materia y estudiar cómo ha evolucionado la estructura cósmica, podrá poner límites a determinadas propiedades de la materia oscura.
Por ejemplo, una materia oscura formada por partículas relativamente pesadas y lentas tendería a agruparse de una manera diferente de una materia oscura constituida por partículas mucho más ligeras y rápidas. La historia de cómo aparecieron las primeras galaxias y cómo crecieron los grandes cúmulos contiene, por tanto, información sobre la naturaleza de la materia oscura.
Pero conviene subrayar algo: que el Roman mejore mucho nuestro conocimiento de la materia oscura no significa necesariamente que vaya a descubrir la partícula (o partículas) que la compone.
La energía oscura
Si la materia oscura ayuda a explicar cómo se agrupa el universo, la energía oscura está relacionada con algo aparentemente contrario: la expansión del propio universo.
El universo se está expandiendo. Esto se sabe desde las observaciones de Edwin Hubble y otros astrónomos en el siglo XX. Lo sorprendente llegó a finales de los años noventa. Las observaciones de determinadas supernovas lejanas indicaron que la expansión del universo no se estaba frenando, como cabría esperar si la gravedad de toda la materia tendiera a ralentizarla. Al contrario: la expansión estaba acelerándose. Algo parecía estar produciendo el efecto contrario a la atracción gravitatoria de la materia. A ese misterioso componente se le dio el nombre de energía oscura.
Pero es fundamental no dejarse engañar por el nombre. No sabemos que exista una sustancia llamada “energía oscura” que esté empujando las galaxias. El término designa, en realidad, nuestra explicación provisional de un fenómeno cosmológico: la expansión acelerada del universo.
Podría tratarse de una propiedad del propio espacio, como supone la explicación más sencilla basada en una constante cosmológica. Podría ser algún campo físico todavía desconocido. O, incluso, podría ocurrir que nuestra teoría de la gravedad necesitase modificarse cuando la aplicamos a escalas cosmológicas.
La NASA señala precisamente estas posibilidades: el Roman permitirá poner a prueba si la aceleración se debe a energía oscura o si apunta, en cambio, a una modificación de la relatividad general a escalas enormes.
El Roman no buscará “la energía oscura”: reconstruirá su historia
Esta distinción es esencial para entender la misión. El Roman estudiará cómo ha evolucionado el universo a lo largo del tiempo. Para ello utilizará varios métodos independientes.
Uno de ellos serán las supernovas de tipo Ia. Estas explosiones estelares tienen propiedades que permiten utilizarlas como indicadores de distancia cósmica. Comparando su brillo aparente con el corrimiento al rojo de la galaxia que las alberga, los astrónomos pueden reconstruir cómo se ha expandido el universo. El Roman espera observar decenas de miles de supernovas, extendiendo considerablemente este tipo de mediciones. Otro método será estudiar la distribución tridimensional de las galaxias.
Y aquí entra un concepto menos conocido pero fascinante: las oscilaciones acústicas bariónicas (OAB).
Las ondas de sonido del universo primitivo
Se supone que durante los primeros cientos de miles de años después del Big Bang, el universo era extremadamente caliente y estaba lleno de una mezcla de materia y radiación. En aquel plasma se propagaban ondas de presión, algo que podemos imaginar, con muchas cautelas, como ondas sonoras a escala cósmica.
Cuando el universo se enfrió y la materia y la radiación dejaron de estar estrechamente acopladas, quedó una especie de huella de aquellas ondas en la distribución posterior de las galaxias. Hoy podemos detectar una pequeña preferencia estadística de las galaxias por encontrarse a determinadas separaciones. Las OAB constituyen una especie de regla cósmica de medir: si sabemos cuál era su escala característica, podemos utilizarla para medir cómo se ha expandido el universo.
El Roman realizará mediciones de este tipo y las combinará con las supernovas y con las lentes gravitatorias débiles. Y esto es particularmente importante porque ningún método es perfecto. Si diferentes técnicas independientes conducen a la misma historia de expansión, aumenta nuestra confianza en el resultado.
Materia oscura y energía oscura están relacionadas
Hay una razón profunda para estudiar simultáneamente ambas cosas. La materia oscura, como toda materia, ejerce gravedad. Esa gravedad favorece la formación de estructuras: primero pequeños grumos de materia, después galaxias, grupos y cúmulos de galaxias y, finalmente, la gigantesca red cósmica que observamos hoy. La energía oscura, por el contrario, está relacionada con la aceleración de la expansión.
El resultado es una especie de competición cósmica: la gravedad favorece el crecimiento de estructuras; la expansión acelerada dificulta ese crecimiento a gran escala.
Por eso, si podemos medir simultáneamente cómo se expande el universo y cómo crecen sus estructuras, podemos someter a prueba el modelo cosmológico completo. Eso es precisamente lo que hará Roman mediante la combinación de lentes gravitatorias débiles, distribución de galaxias, BAO y supernovas.
¿Y si la energía oscura estuviera cambiando?
La versión más sencilla del modelo cosmológico supone que la energía oscura es una constante cosmológica: una propiedad constante del vacío que no cambia con el tiempo. Pero algunas observaciones recientes han sugerido que quizá la expansión del universo no pueda describirse exactamente de esa manera. De confirmarse, sería un resultado extraordinariamente importante.
Ahora bien, no conviene presentarlo todavía como un descubrimiento. Los propios materiales científicos de NASA subrayan que las evidencias actuales no han eliminado la posibilidad de que el modelo estándar siga siendo correcto. El Roman será particularmente valioso porque podrá explorar épocas anteriores de la historia cósmica y comprobar si realmente existe una evolución de la energía oscura.
Si la hubiera, habría que explicar por qué. Y si no la hubiera, también sería un resultado importante: contribuiría a reforzar la explicación basada en la constante cosmológica.
El universo podría estar diciéndonos que la gravedad «está mal»
Hay una posibilidad todavía más radical: que no exista ninguna energía oscura. Quizá la aceleración cósmica sea una señal de que la teoría de la relatividad general de Einstein no describe correctamente la gravedad a escalas de miles de millones de años luz.
No sería la primera vez que una teoría extraordinariamente exitosa resultara ser una aproximación de otra teoría más profunda. La relatividad general no desaparecería por ello: seguiría describiendo extraordinariamente bien multitud de fenómenos, pero habría que modificarla o ampliarla para determinadas condiciones.
El Roman podrá comparar la velocidad con la que se expande el universo con la velocidad a la que crecen las estructuras cósmicas. La relación entre ambas ofrece una prueba especialmente sensible de las teorías de gravedad. Por eso sería más correcto decir que el Roman investigará la naturaleza de la aceleración cósmica que afirmar simplemente que “buscará energía oscura”.
El Roman hará mucho más que cosmología
La materia y la energía oscuras constituyen una de las grandes motivaciones científicas de la misión, pero no son sus únicos objetivos. El Roman tendrá un campo de visión al menos cien veces mayor que el del telescopio espacial Hubble, manteniendo una resolución comparable. Su instrumento principal, el Wide Field Instrument, observará el cielo en el infrarrojo cercano y permitirá estudiar una cantidad gigantesca de galaxias. La NASA estima que durante su misión podrá medir la luz de alrededor de mil millones de galaxias.
Ese enorme catálogo permitirá investigar también cómo nacen y evolucionan las galaxias, cómo se forman los cúmulos, cómo aparecen las primeras galaxias y cómo evolucionaron las poblaciones estelares.
Y hay otro campo de investigación aparentemente muy distinto: los exoplanetas. Roman vigilará millones de estrellas hacia el centro de la Vía Láctea y aprovechará otra modalidad de lente gravitatoria, la microlente gravitatoria. Cuando una estrella pasa casi exactamente delante de otra mucho más lejana, su gravedad amplifica temporalmente la luz de la estrella posterior. Si alrededor de la estrella que actúa como lente hay un planeta, este puede producir una pequeña perturbación adicional en el brillo.
Este método es especialmente interesante porque permite encontrar planetas que serían difíciles de detectar mediante otras técnicas, incluidos planetas situados a grandes distancias de sus estrellas. NASA estima que el programa podría descubrir más de un millar de exoplanetas.
Además, el telescopio incorpora un coronógrafo, concebido como demostración tecnológica para intentar obtener imágenes y espectros de algunos exoplanetas directamente, bloqueando la luz mucho más intensa de sus estrellas.
Una máquina para medir, no una máquina para encontrar “lo invisible”
Quizá esta sea la mejor manera de entender qué hace especial al Roman. No deberíamos imaginarlo como un telescopio que vaya a apuntar al cielo y descubrir de repente una partícula de materia oscura o fotografiar la energía oscura. Su estrategia es mucho más indirecta y, científicamente, más poderosa: observar enormes cantidades de galaxias, medir sus posiciones y formas, registrar supernovas, estudiar cómo se distribuye la materia y reconstruir la expansión cósmica. A partir de esos datos podremos preguntar si el universo se comporta como predice nuestro modelo actual.
Si lo hace, el Roman permitirá determinar sus parámetros con una precisión mucho mayor. Si no lo hace, la discrepancia podría indicarnos qué pieza de nuestra explicación está equivocada.
Esa segunda posibilidad es quizá la más excitante. Porque “materia oscura” y “energía oscura” son, en cierto modo, nombres que hemos puesto a dos grandes problemas abiertos. No debemos confundir el nombre de una incógnita con la solución de la incógnita. La materia oscura significa, esencialmente, que hay efectos gravitatorios que atribuimos a una forma de materia que todavía no hemos identificado. La energía oscura significa que el universo se está expandiendo aceleradamente y todavía no sabemos cuál es la explicación física correcta. El Roman no garantiza que vaya a resolver ninguno de los dos misterios. Pero está diseñado para realizar algo quizá más importante: convertir esas grandes incógnitas en preguntas cuantitativas que podamos someter a pruebas cada vez más precisas. Y si finalmente los datos obligan a cambiar nuestra imagen del universo, el resultado no será simplemente el descubrimiento de un nuevo componente cósmico. Podría ser algo mucho más profundo: el comienzo de una nueva cosmología.
