Investigando a los Cúmulos Globulares y en el desarrollo del primer método para comprobar las teorías de la Expansión Acelerada del Universo.

Cada Galaxia de suficiente masa dentro de un "Grupo Local" tiene un conjunto asociado de Cúmulos Globulares y se ha descubierto que casi todas las Galaxias grandes estudiadas poseen un sistema de cúmulos globulares, esto es, una colección de pequeñas esferas compuestas por estrellas.

En la imagen, el núcleo del cúmulo está impregnado de la luz azul pálido de innumerables estrellas, y un puñado de éstas en primer plano particularmente brillantes están adornadas con puntas de difracción entrecruzadas. El "Cúmulo NGC 6652" se encuentra en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, en la "Constelación de Sagitario", a poco menos de treinta mil años luz de la Tierra y a sólo seis mil quinientos del centro galáctico.

El contenido reluciente y deslumbrante del Cúmulo Globular "NGC 6652" brilla en esta imagen repleta de estrellas del "Telescopio Espacial Hubble" de las agencias  NASA / ESA. Fotografía Europa Press.

En un comunicado informó la "Agencia Nacional de Administración Aeronáutica Espacial" (NASA): "Los cúmulos globulares son estables, fuertemente ligados gravitacionalmente, en consecuencia de que contienen desde decenas de miles, o hasta millones de estrellas. La intensa atracción gravitatoria entre estrellas muy juntas en Cúmulos Globulares es lo que les da a estos objetos repletos de estrellas su forma esférica regular".

La imagen que se ha presentado, combina datos de dos de las cámaras más potentes del Telescopio Hubble, estas son: la "Avanzada para Sondeos" y la de "Campo Amplio 3".

También utiliza datos de dos programas de observación diferentes realizados por dos equipos de astrónomos diferentes. En detalle se tiene que el primer equipo se dispuso a estudiar los Cúmulos Globulares de la Vía Láctea con la esperanza de arrojar luz sobre temas que van desde la edad de estos objetos hasta el potencial gravitacional de la galaxia en su conjunto.

El segundo equipo de astrónomos, utilizó un trío de filtros exquisitamente sensibles en la "Wide Field Camera 3" del Hubble para desentrañar las proporciones de carbono, nitrógeno y oxígeno en Cúmulos Globulares como "NGC 6652".

Un "Cúmulo Globular" se describe como un conjunto esférico de estrellas que, por lo general, en órbita a un "Núcleo Galáctico", en analogía, con un satélite. Las estrellas que se agrupan en estos cúmulos, se encuentran fuertemente ligadas en consecuencia de la fuerza de gravedad, lo que les da sus forma esférica y una densidad estelar relativamente alta en la cercanía del centro.

Pareciera ser que los Cúmulos Globulares contienen algunas de las primeras estrellas más antiguas que se generan en una Galaxia, sus orígenes evolutivos y su papel en la evolución galáctica aún no están claros. Parece evidente que estos son significativamente diferentes de las Galaxias Enanas Elípticas y se crearon como parte de la formación estelar de la Galaxia Madre en lugar de como Galaxias separadas. La formación de cúmulos globulares sigue siendo un fenómeno poco conocido y es incierto si las estrellas de un Cúmulo Globular se forman en una sola generación, o si se crean a lo largo de varias generaciones durante un período de varios cientos de millones de años. En muchos Cúmulos Globulares, la mayoría de las estrellas se encuentran aproximadamente en la misma etapa de su "Evolución Estelar", lo que sugiere que se formaron aproximadamente al mismo tiempo

En nuestro entorno, esto es, en el interior de la "Vía Láctea", se estima existen unos ciento sesenta "Cúmulos Globulares", y se infiere que existen entre diez y veinte más, aún por descubrir, ello en consecuencia de que se encuentran situados tras el centro oscurecido por las propias cientos de miles de estrellas de nuestro propio "Núcleo Galáctico" y del polvo interestelar. 

El "Telescopio Espacial Hubble" ha permitido observar Cúmulos Globulares en ciertas regiones en la Galaxia que abarcan cientos de parsecs, donde muchos de los cúmulos colisionarán finalmente y se fusionaron entre sí. Muchos de ellos presentan un rango significativo de diferentes edades, posiblemente debido a sus distintas "metalicidades", y su fusión podría llevar a agrupaciones con una Distribución Bimodal e incluso a una Múltiple Distribución de poblaciones estelares.

Nota: El término "metalicidad" es el concepto astrofísico que se utiliza para describir la abundancia relativa de elementos más pesados que el helio en una estrella, dichos elementos químicos reciben el nombre de metales con independencia a su posición en la "Tabla Periódica".

Imagen compuesta del "Cúmulo de Galaxias CL0024"  tomada por el "Telescopio Espacial Hubble" que muestra la creación de un efecto de "Lente Gravitacional". Se supone que este efecto se debe, en gran parte, a la interacción gravitatoria con la "Materia Oscura".

Tomada de Wikipedia y a su vez de: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University).

La «Expansión Acelerada del Universo» o el «Universo en Expansión Acelerada» son términos con los que se designa el hecho, descubierto en el año 1998, de que nuestro Universo se expande a una velocidad cada vez mayor.

Ello fue algo inesperado, ya que hasta ese momento se pensaba que, si bien el Universo ciertamente estaba en expansión, ocasionada como un eco del Big Bang, tenía un ritmo que iba decreciendo por efecto de la atracción gravitatoria mutua entre galaxias distantes, aunque lentamente por la baja densidad de materia-energía presente en el Universo, "Ohmio metro" (Ωm), que se estima que es igual a 0.29.

Veamos lo sucedido, a finales del siglo XX unas observaciones de Supernovas tipo A , arrojaron el resultado inesperado de que la expansión del Universo ha ido acelerándose desde hace unos cinco mil millones de años; y profundizando el hecho, se concluye que el resultado último de la tendencia a la expansión sería la imposibilidad de seguir viendo cualquier otra Galaxia, en la que el fin del Universo ha recibido el nombre de "Big Rip" es decir, "Gran Desgarramiento"

Puesto que la energía causante de la aceleración del "Espacio - Tiempo" no ha podido ser observada en forma directa, se ha dado en llamarla "Energía Oscura". Dos candidatos teóricos que podrían hacer las veces de esta energía son una  "Constante Cosmológica" no igual a cero, la que puede ser la responsable de la "Inflación Cósmica", y una "Energía Repulsiva" más general llamada "Quintaesencia".

De todas formas, una expansión acelerada no entra en contradicción frontal con la formulación original de la "Teoría General de la Relatividad" propuesta por Albert Einstein (1879 -1955), que ya ocasionó en su tiempo una polémica entre su creador, quién, por cierto, en un tiempo introdujo la constante cosmológica en su ecuación de campo, retirándola posteriormente, y varios científicos, como: Alexander Friedman, (1888 - 1925), Georges Lemaître (1894 - 1966), Howard Percy Robertson (1903 - 1961), y  Arthur Geoffrey Walker (1909 - 2001), quienes probaron que existían soluciones estables no estacionarias sin el término proporcional a la constante cosmológica, con su métrica o "Modelo FLRW", que es una solución exacta de las ecuaciones de campo derivadas de la Relatividad General.

Así es que este pasado mes de junio, un equipo de la Universidad de Ginebra (Unige), en Suiza, desarrolló el primer método para poner a prueba conjuntamente las teorías de Albert Einstein y Leonhard Paul Euler (1707 - 1783), sobre la "Expansión Acelerada del Universo" y la "Materia Oscura" mediante una medida que no había sido utilizada antes: la distorsión del tiempo, según publican en la revista "Nature Astronomy".

El matemático Leonhard Euler. Fotografía del diario "La Jornada", tomada su vez de de Wikipedia.

Fue Euler quién describió los movimientos de los objetos celestes, mientras que Einstein explicó la forma en que esos cuerpos distorsionan el Universo. Desde que surgió la propuesta de la existencia de la "Materia Oscura" y la aceleración de la expansión del Universo, la validez de sus ecuaciones se ha puesto a prueba. El nombre de "Materia Oscura" hace referencia a que teóricamente se considera que no emite ningún tipo de "Radiación Electromagnética", como la luz. Entonces no interactuaría en ninguna forma con la radiación electromagnética, siendo completamente transparente en todo el  "Espectro Electromagnético"

Las teorías de ambos revolucionaron nuestra comprensión del cosmos.

Con la famosa ecuación que lleva su nombre, Euler proporcionó a los científicos una poderosa herramienta para calcular los movimientos de las Galaxias en el Universo. Con su planteamiento y consecuencias de la "Teoría de la Relatividad General", Einstein demostró que éste no es un marco estático: puede ser distorsionado por Cúmulos de estrellas y Constelaciones.

Los físicos han puesto a prueba estas ecuaciones de todas las maneras posibles, las cuales hasta ahora han resultado exitosas. Sin embargo, ahora, dos descubrimientos buscan comprobar estos modelos: la Aceleración de la Expansión del Universo y la existencia de materia oscura, que se cree que representa 26.8% de toda la que conforma el Cosmos.

Los investigaciones siguen sin poder responder a esta pregunta de si siguen obedeciendo estos misteriosos fenómenos a las ecuaciones de Einstein y Euler.

Albert Einstein, fotografía del diario "La Jornada". Archivo.

Señaló Camille Bonvin, profesora asociada del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la Unige y autora principal del estudio: “El problema es que los datos cosmológicos actuales no nos permiten diferenciar entre una teoría que rompe las ecuaciones de Einstein y otra que lo haga con la de Euler. Esto es lo que demostramos en nuestro estudio. También presentamos un método matemático para resolver este problema. Es la culminación de diez años de investigación. Los investigadores eran incapaces de diferenciar la validez de estas dos ecuaciones en los confines del Universo porque les faltaba un “ingrediente”: la medición de la distorsión del tiempo. Hasta entonces, sólo sabíamos medir la velocidad de los objetos celestes y la suma de la distorsión del tiempo y el espacio. Hemos desarrollado un método para acceder a esta medida adicional, y es una primicia”.

Y concluye la profesora Bonvin en forma contundente su explicación: "Si la distorsión del tiempo no es igual a la suma del tiempo y el espacio –es decir, el resultado que arroja la teoría de la relatividad general–, significa que el modelo de Einstein no funciona. Si la distorsión temporal no se corresponde con la velocidad de las galaxias calculada con la ecuación de Euler, significa que esta última no es válida".

Asimismo, sostuvo Levon Pogosian, profesor del Departamento de Física de la Universidad Simon Fraser, en Canadá, y coautor del estudio: “Estamos en busca de nuevas fuerzas, con ello  estaríamos en posibilidad de descubrir si existen en el universo nuevas fuerzas o materia que violen estas dos teorías”.

Estos resultados supondrán una aportación crucial a varias misiones cuyo objetivo es determinar el origen de la expansión acelerada del universo y sobre la naturaleza de la materia oscura.

Entre ellas se encuentran la nave "Euclides" que contiene al "Telescopio Espacial Euclid", que fue lanzada el primer día de julio de 2023, por la "Agencia Espacial Europea" (ESA), en colaboración con la (Unige), así como el "Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura" (DESI), que comenzó su misión de cinco años en 2021 en Arizona. Y finalmente también está el proyecto internacional del "Radiotelescopio Gigante Matriz de Kilómetros Cuadrados" (SKA), en Sudáfrica y Australia, que comenzará sus observaciones en el futuro, se encuentra programado para iniciar operaciones entre los años 2028 y 2029.

Euclides es una misión de la (ESA) para mapear la geometría del Universo Oscuro, investigará la relación distancia-corrimiento al rojo y la evolución de las estructuras cósmicas. Lo hará midiendo las formas y los desplazamientos hacia el rojo de galaxias y cúmulos de galaxias hasta desplazamientos hacia el rojo ~2, o el equivalente a un tiempo retrospectivo de diez mil millones de años. Por lo tanto, cubrirá todo el período durante el cual la energía oscura desempeñó un papel importante en la aceleración de la expansión. La nave espacial Euclid con una masa de lanzamiento de alrededor de dos mil 100 kilogramos, unos 4 metros y medio metros de altura y 3.1 metros  de "diámetro", con los apéndices guardados. Se estima una duración de vida nominal de la misión de seis años. Tomada de ESA/C.Carreau.

“Nuestro método se integrará en estas diferentes misiones. Ya es el caso de (DESI), del que nos hemos convertido en colaboradores externos gracias a esta investigación”, subrayó Camille Bonvin. El equipo de investigación ha probado con éxito su modelo en catálogos sintéticos de galaxias.

La próxima etapa consistirá en probarlo utilizando los primeros datos suministrados por (DESI), así como en identificar los obstáculos y minimizar los rasgos sistemáticos que podrían dificultar su aplicación.

Fotos: DESI, que está montado en el "Telescopio Mayall", en Tucson, Arizona, EE. UU. Gaceta UNAM.

También la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), colabora en este proyecto, según se informo en la "Gaceta UNAM", el pasado 15 de junio; participa activamente a través de sus Institutos de Física (IF) y Astronomía (IA) en el proyecto cosmológico más importante en el mundo, fundamental para entender el universo en el que vivimos, comentó William Lee Alardín, coordinador de la Investigación Científica de la UNAM.

Por su parte Tonatiuh Matos Chassin, investigador del "Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional" (Cinvestav), durante su participación en el evento convocado por la (UNAM), recordó que en 2011 se encontró que la expansión del universo se acelera y surgió la idea de que debía haber una energía mucho más poderosa que toda la materia visible del Cosmos, e inclusive que la "Materia Oscura", causante de esa aceleración y equivalente al 68 o 70% de la materia del Universo. Nadie sabe qué es la energía oscura (DESI) puede dar una respuesta a la pregunta “¿de qué está hecho el universo?”, y si no la proporciona, por lo menos trazará el camino para encontrarla, finalizó.

Para resaltar el hecho de que la colaboración internacional brindará mejores resultados que la feroz competencia. Con estos programas que abren a la comunidad científica los datos obtenidos y la posibilidad de colaborar en estudios que por su diversidad aportaran un nuevo cúmulo de conocimientos, en beneficio de la humanidad.