Sabemos que el universo se expande, es decir que se estira, alejándose cada estrella de las demás. Pero aún no sabemos por qué, y también por qué esta expansión se acelera bajo el efecto de una misteriosa energía oscura. En este universo en expansión, ¿cómo se forman y evolucionan las grandes estructuras bajo la influencia de la gravitación?
¿Por qué no es suficiente la gravitación generada por la materia que compone los gases y las galaxias de estas estructuras? ¿Existe una materia invisible a nuestros ojos, a nuestros instrumentos, una materia oscura?
Es lo que tratará de destacar Euclid, una misión sin precedentes de la Agencia Espacial Europea (ESA), que acaba de ser lanzada con éxito el 1 de julio de 2023 y en la que Francia tiene un papel destacado. La misión Euclid reúne a un consorcio de más de 1600 personas, incluidas 350 en Francia, repartidas en 250 laboratorios en diecisiete países.
Retrocede en el tiempo para entender la expansión del Universo
Euclides formará imágenes de miles de millones de galaxias, imágenes que viajan a la velocidad de la luz emitidas, es decir en el pasado: cuanto más lejos estén, más antigua será la imagen recibida.La expansión, el alargamiento del marco del universo también provoca un estiramiento de los espectros de la luz hacia longitudes de onda largas, y para la luz visible (La luz visible, también llamada espectro visible o espectro óptico es la parte de…) hacia el rojo, incluso el infrarrojo.
Euclid permanecerá en el espacio junto al telescopio espacial James-Webb y la sonda Gaia, en el punto de Lagrange (Un punto de Lagrange (denotado L1 a L5), o, más raramente, punto de libración, es un…) 2, que permite estar relativamente resguardado de los rayos del sol.
ESA. Reconocimiento: Trabajo realizado por ATG bajo contrato para ESA, CC BY-SA
Este «desplazamiento al rojo» permite determinar la distancia a la que se encuentra la fuente y, por tanto, indirectamente, localizar el momento en que se emitió la luz (utilizando, por ejemplo, el «diagrama de Hubble»). Por lo tanto, Euclid determinará los corrimientos hacia el rojo de las galaxias que tomará imágenes, para reconstruir la evolución de nuestro universo durante los últimos diez mil millones de años.
Por lo tanto, al observar la distribución de las galaxias que forman las grandes estructuras del universo en diferentes momentos, Euclid nos ayudará a comprender por qué el tejido del universo se está expandiendo (y por lo tanto por qué los objetos celestes se están alejando unos de otros), pero también por qué esto la expansión se acelera bajo el efecto de una misteriosa «energía oscura».
Una representación de la red cósmica, es decir, las grandes estructuras que forman el universo (cúmulos de galaxias agrupadas en filamentos), del estudio astronómico SDSS (Sloan Digital Sky Survey).
M. Blanton y el Sloan Digital Sky Survey, CC BY
¿Podemos ver la materia oscura?
Euclides también nos permitirá abordar el segundo gran misterio cosmológico, el de la «materia oscura». Esta materia insólita se introduce en las teorías astrofísicas para dar cuenta de diversas observaciones (La observación es el acto de vigilar atentamente los fenómenos, sin la voluntad de hacerlo…) (masas de galaxias y cúmulos de galaxias, fluctuaciones del fondo cosmológico difuso) . En otras palabras, sin materia oscura, no podemos predecir lo que vemos, incluso con las teorías más sofisticadas que tenemos sobre el Universo.
Pero la principal característica de la materia oscura es que interactúa muy poco con la materia y la luz (de ahí su nombre): ¿cómo, en estas condiciones, podemos esperar detectarla? Euclid propone detectar y localizar la materia oscura de forma indirecta estudiando su efecto gravitatorio sobre la imagen de las galaxias. Para ello, Euclides utilizará el fenómeno de las lentes gravitatorias que «doblan» los rayos de luz que atraviesan un campo gravitatorio, y distorsionan así la imagen de las galaxias que lo cruzan. Es estudiando estas deformaciones de la imagen que será posible reconstruir la materia oscura presente.
Así, Euclides nos permitirá cartografiar la no menos misteriosa «materia oscura» que participa, con la materia visible de estrellas y nebulosas, en los efectos gravitatorios que vinculan estrellas dentro de galaxias y galaxias dentro de cúmulos.
Euclid observará desde el espacio para evitar mirar a través de la atmósfera terrestre. De hecho, es turbulento, lo que perturba las imágenes y afecta su resolución; y la radiación infrarroja es altamente absorbida por las moléculas de agua y dióxido de carbono presentes principalmente en la atmósfera, lo que limita fuertemente la posibilidad de producir imágenes y espectros en este rango de longitud de onda. Tomará imágenes de todo lo que se puede ver más allá de la Vía Láctea (La Vía Láctea (también llamada «nuestra galaxia», o a veces…), es decir, alrededor de un tercio de la bóveda celeste, el resto está oculto por el plano galáctico (disco en el que giran las estrellas de nuestra galaxia) y por el plano de la eclíptica (disco en el que giran los planetas de nuestro sistema solar).
El telescopio y sus instrumentos.
El satélite está equipado con un telescopio tipo Korsch de 3 espejos que ofrece un gran campo de visión, equivalente a dos veces y media la superficie del disco lunar. Fue fabricado por Airbus Defence and Space en Toulouse, íntegramente en carburo de silicio (SiC), un material térmicamente muy. Se mantiene a una temperatura de -140°C (la temperatura es una cantidad física medida con un termómetro y…) e incorpora dos instrumentos, el NISP y el VIS.
El satélite Euclid tras sus exitosas pruebas, para asegurar que no sufre interferencias electromagnéticas de sus propios instrumentos. Las pruebas se llevan a cabo en una cámara especialmente aislada en Thales Alenia Space en Cannes.
ESA-Manuel Pedoussaut, CC BY-SA
El NISP (espectrofotómetro de infrarrojo cercano) es un espectrofotómetro infrarrojo que produce simultáneamente imágenes de galaxias mientras dispersa su luz para producir espectros. Su gran plano focal de 66 millones de píxeles, que trabaja en el infrarrojo cercano (0,9 a 2 micrómetros) y se enfría a -180 °C, ofrece el campo de visión infrarrojo más grande jamás logrado para una misión espacial. La parte optomecánica del instrumento también está hecha de SiC. El NISP está bajo responsabilidad francesa, producido bajo la supervisión del Laboratoire d’astrophysique de Marseille.
Para seguir la evolución de las estructuras en diferentes momentos, las distancias se determinarán por el «método BAO» (oscilaciones acústicas de bariones), método que permite obtener una regla estándar, un patrón dimensional para medir distancias. El objetivo es procesar 35 millones de galaxias.
El VIS (instrumento visible) es una cámara que produce imágenes en longitudes de onda visibles (0,55 a 0,9 micrómetros), de responsabilidad inglesa, en la que están presentes 3 contribuciones francesas, en particular su inmenso plano focal que suman aproximadamente 600 millones de píxeles (equivalente a 300 televisores HD ), el segundo más grande jamás realizado para una misión espacial después de Gaia, que permite la visualización y caracterización de 50.000 galaxias en una sola imagen.
También está hecho de SiC y se mantiene a una temperatura de -120°C. La deformación de ciertas imágenes de galaxias bajo el efecto de lentes gravitatorias débiles inducidas por los efectos de la gravitación debido a la presencia de materia entre estas galaxias y el telescopio permitirá resaltar y localizar la materia oscura. El objetivo es procesar mil quinientos millones de galaxias.
Las distancias se determinarán midiendo el «desplazamiento al rojo» de cada fuente observada por métodos espectrométricos (instrumento NISP) y fotométricos (instrumento VIS) derivados de las mediciones de luminosidad realizadas a bordo y complementadas con la ayuda de telescopios en tierra.
Los dos instrumentos generarán aproximadamente 850 Gb de datos cada día para ser transmitidos a la Tierra. El satélite incorpora una memoria masiva de 4Tbit que almacena datos científicos y datos de telemetría relacionados con el funcionamiento de los instrumentos. Envía estos datos todos los días durante cuatro horas a la estación terrestre de Cebreros en España, que luego los transmite al Centro de Operaciones de la Misión ubicado en el Centro ESOC de la ESA en Darmstadt, Alemania.
Acumulado durante la misión de seis años, el volumen de datos que se procesará es impresionante, alrededor de 170 millones de gigabytes. Esto representa varios cientos de miles de discos duros de computadoras personales. El tratamiento se realizará en nueve centros de tratamiento, ocho en Europa y uno en Estados Unidos. Para Francia, el centro informático del Instituto Nacional de Física Nuclear y Física de Partículas (la física de partículas es la rama de la física que estudia los constituyentes…), en Villeurbanne, realizará por sí solo el tratamiento del 30% de los datos.