Ciencias

La misión romana de la NASA puede decirnos si el universo eventualmente se desmoronará

Big Rip?

NASA hasn’t finalized the Roman Telescope’s mission design yet. There’s still room to tweak things, and this study is an effort to explore how they might tweak it for best results.

The study is “The High Latitude Spectroscopic Survey on the Nancy Grace Roman Space Telescope,” published in The Astrophysical Journal. The lead author is Yun Wang, a senior research scientist at Caltech/IPAC in Pasadena, California. The Roman Telescope will have multiple tools in its toolbox, and this study focuses on spectroscopy and how it’ll map the historic expansion of the Universe.

“Our study forecasts the science Roman’s spectroscopy survey will enable and shows how various adjustments could optimize its design,” said lead author Wang.

NASA Nancy Grace Roman Space Telescope

NASA’s Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) is now named the Nancy Grace Roman Space Telescope, after NASA’s first Chief of Astronomy. Credit: NASA

The Roman will conduct a High Latitude Wide Area Survey (HLWAS). The High Latitude Spectroscopic Survey (HLSS) is the spectroscopic part of the HLWAS outlined in this study. The HLWAS is one of the telescope’s featured science objectives, along with novel approaches to exoplanet science. HLSS is a high-volume precision survey of millions of galaxies dating back billions of years. The Survey’s primary goal is to study universal expansion over the Universe’s history. The HLSS is so deep and wide that it’ll enable science that isn’t possible with other existing telescopes.

“While this survey is designed to explore cosmic acceleration, it will also offer clues about many other tantalizing mysteries,” said Wang. “It will help us understand the first generation of galaxies, allow us to map dark matter, and even reveal information about structures that are much closer to home, right in our local group of galaxies.”

Roman vs Hubble Field of View

The Roman Space Telescope’s field of view will dwarf the Hubble’s. (No disrespect to the venerable Hubble, The Bringer of Knowledge.) Credit: NASA/GSFC/JPL

Roman’s HLSS relates to Universal expansion, Dark Energy, and Einstein’s Theory of General Relativity (TGR). Obviously, those are all deep and detailed topics, and they won’t fit in a Kurzgesagt-sized nutshell, but here’s how they fit together.

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In 1915, when Einstein first put forth his TGR, nobody thought the Universe was expanding. TGR succeeded in explaining things Newtonian Gravity couldn’t. But it had a flaw. Einstein himself realized that his theory predicted that a static Universe was unstable, and it either has to expand or contract to be stable. But he rejected that, and he tripped himself up by introducing the now-notorious ‘cosmological constant’ to compensate. He used it to counteract the effect of gravity and achieve a static Universe. Einstein later called this his greatest blunder.

Then in the 1920s, astronomers discovered that the Universe is expanding. Bye-bye cosmological constant. American astronomer Edwin Hubble played a prominent role in the discovery, and the rule describing the expansion is called Hubble’s Law. (Sidebar: Belgian scientist and priest Georges Lemaître did earlier work on expansion, but he published his work in an obscure journal. Now Hubble’s Law is increasingly referred to as the Hubble–Lemaître law.) They discovered that galaxies are all moving away from each other, with only a very few exceptions. The Universe is expanding.

The expansion of the Universe was and is a mystery. Scientists have a placeholder name for the force that must be driving the expansion: Dark Energy.

For a long time, cosmologists thought the expansion was slowing. But it turns out that’s not true.

In 1998 scientists discovered that the Universe’s rate of expansion is accelerating. It shouldn’t be because the gravity from all the matter should slow the expansion down. With that discovery, the cosmological constant came back into play. It’s now the simplest explanation for the accelerating expansion. The cosmological constant is represented by the Greek capital letter lambda: Λ.

Evolution of the Universe Sketch

This image shows the expansion of the Universe accelerating. Time flows from bottom to top. Credit: Ann Feild (STScI)

Wouldn’t it be nice if the interminable guessing over the fate of the Universe was over? Wouldn’t it be fun to know how the Universe will end? (Lawrence Krauss thinks so.) It’d be as much fun as knowing what triggered its beginning. Imagine how popular you’d be at cocktail parties.

This brings us to the Roman Telescope and its High Latitude Spectroscopic Survey. The HLSS might be able to tell us about the future of the Universe’s expansion and if the Universe will continue to expand faster and faster and end in a Big Rip.

In their paper, the authors clarify the overall goal of the Survey. There are two top-level questions:

  1. Is cosmic acceleration caused by a new energy component or by the breakdown of general relativity (GR) on cosmological scales?
  2. If the cause is a new energy component, is its energy density constant in space and time, or has it evolved over the history of the universe?

There’s no magic to this. In a way, there’s brute force involved. The more of the Universe you can measure, and the more precisely you can measure it, the more accurate your conclusions are likely to be. This is behind the drive for larger, more precise telescopes like the Roman Space Telescope. The answers to our questions are more complex and harder to find.

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In the paper, the authors present a reference design for the HLSS. The Roman’s HLSS will cover nearly 2,000 square degrees or about 5% of the sky in about seven months. This is a considerable improvement over other telescopes like the Hubble. “Right now, with telescopes like Hubble, we can sample tens of high-redshift galaxies. With Roman, we’ll be able to sample thousands,” explained Russell Ryan, an astronomer at STScI.

“Although Roman could execute a shallow and wide-area survey comparable to Euclid’s in approximately 1 yr of observing time, the deeper survey proposed here is a better complement to other surveys and more effectively exploits the capabilities of Roman’s larger aperture,” the paper states. “Per unit observing time, Roman is an extraordinarily efficient facility for slitless spectroscopic surveys, so it is well-positioned to respond to developments in experimental cosmology between now and mission launch in the mid-2020s.”

The new study shows that Roman’s HLSS should precisely measure 10 million galaxies from when the Universe was between three to six billion years old. Astronomers will use that data to map the large-scale structure of the Universe.

Los cosmólogos ya han mapeado la estructura a gran escala, pero el HLSS del Telescopio Romano llevará ese mapeo un paso más allá. El HLSS nos dirá las distancias de unos dos millones de galaxias desde que el Universo tenía solo dos o tres mil millones de años. Esto nunca se ha hecho antes y serán datos nuevos.

Todo se reduce a medir tantas cosas como podamos con la mayor precisión posible. Si el Telescopio Romano puede aportar nueva profundidad y amplitud a nuestra comprensión de la estructura a gran escala del Universo a lo largo del tiempo, podremos comprender la historia de la expansión del Universo. Entonces, quizás, finalmente tengamos nuestra respuesta.

«Roman determinará la historia de la expansión del universo para probar posibles explicaciones de su aparente expansión acelerada, incluida la energía oscura y la modificación de la gravedad de Einstein», escriben los autores en su artículo. «Roman determinará la historia de crecimiento de las estructuras más grandes del universo para probar posibles explicaciones de su aparente expansión acelerada, incluida la energía oscura y la modificación de la gravedad de Einstein…»


Este video se disuelve entre toda la colección de cubos de corrimiento al rojo en 55 segundos. A medida que el Universo se expande, la densidad de galaxias dentro de cada cubo disminuye, de 528.000 en el primer cubo a 80 en el último. Cada cubo tiene unos 100 millones de años luz de diámetro. Galaxias ensambladas a lo largo de vastas cadenas de gas separadas por inmensos vacíos, una estructura similar a la espuma resonó en el Universo actual en grandes escalas cósmicas. Esta visualización muestra el número y la agrupación de galaxias simuladas en diferentes edades cósmicas, que van desde el 4 % al 43 % de la edad actual del Universo de 13 800 millones de años. Cada cubo representa un volumen fijo de espacio, de unos 100 millones de años luz por cada lado. A lo largo de la secuencia, la expansión del Universo disminuye rápidamente la densidad de las galaxias. Cada cubo muestra un corrimiento al rojo cosmológico específico, de 9 a 1, con cubos anteriores emitidos en tonos más rojos.

Esa última oración describe dónde estamos ahora. El Universo se está expandiendo y la expansión se está acelerando. Esto no debería ser así porque la gravedad de toda la materia del Universo debería ser un impedimento para esta expansión. La aceleración significa que la teoría de la gravedad de Einstein no es exactamente correcta. O significa que necesitamos agregar un nuevo componente de energía al Universo: la Energía Oscura.

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Como se explica en su TGR, la gravedad de Einstein es precisa, hasta cierto punto. También lo fue el de Newton hasta que pudimos observar porciones más grandes del Universo. La gravedad de Newton describe con precisión lo que sucede con la gravedad a escalas locales, y la gravedad de Einstein explica con precisión lo que sucede a una escala aún mayor. Pero ahora nos enfrentamos a todo el Universo y nuestra comprensión es inadecuada.

Este estudio simula lo que el romano puede aportar a la cuestión. Las vastas y profundas imágenes en 3D del Universo del Telescopio Romano son una nueva oportunidad para discernir entre las principales teorías que intentan explicar la aceleración cósmica: una teoría modificada de la gravedad o la Energía Oscura.

La ciencia sólo puede ganar. Cualquier resultado nos acerca.

«Al iluminar la naturaleza desconocida de la aceleración cósmica, necesitamos medir dos funciones libres del tiempo: la historia de la expansión cósmica y la tasa de crecimiento de la estructura a gran escala», escriben los autores. «Esto puede decirnos si la energía oscura varía con el tiempo y si es un componente de energía desconocido (por ejemplo, una constante cosmológica), o la consecuencia de modificar la relatividad general como la teoría de la gravedad».

Infografía cosmológica Redshift del telescopio espacial romano

Este gráfico ilustra cómo funciona el corrimiento al rojo cosmológico y cómo proporciona información sobre la evolución del universo. El universo se está expandiendo, y esa expansión estira la luz que viaja por el espacio. Cuanto más se estiraba, mayor era el desplazamiento hacia el rojo y mayor la distancia que recorría la luz. Como resultado, necesitamos telescopios con detectores infrarrojos para ver la luz de las galaxias más tempranas y distantes. Crédito: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

«Podemos esperar una nueva física en ambos casos, ya sea que aprendamos que la aceleración cósmica es causada por la energía oscura o que descubramos que tenemos que modificar la teoría de la gravedad de Einstein», dijo Wang. “Roman probará ambas teorías al mismo tiempo”.

Los autores señalan que su referencia HLSS es un ejemplo de cómo se podría implementar el estudio espectroscópico de área grande de alta latitud en Roman. “La investigación real que realizará Roman se definirá en un proceso comunitario abierto antes del lanzamiento, teniendo en cuenta el panorama de los proyectos de energía oscura y sus sinergias”, escriben.

¿Sabremos alguna vez cómo terminará el Universo? Tal vez algún día podamos, y podamos hablar de eso mientras tomamos un cóctel. Y podemos hablar sobre cómo el telescopio espacial romano Nancy Gracy nos ayudó a encontrar nuestra respuesta.

publicado originalmente en Universo hoy.

Para obtener más información sobre este tema, consulte Energía oscura vs. Gravedad modificada: la misión romana de la NASA pondrá a prueba las teorías contrapuestas de la aceleración cósmica.

Prudencia Febo

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