Cómo funciona DESI

La idea en un ciclo

Todo lo que hace DESI repite un bucle:

elegir 5.000 galaxias → recoger la luz de cada una por separado → dividir esa luz en sus colores → medir el corrimiento al rojo → colocar la galaxia en un mapa 3D.

Hazlo con millones de objetos por todo el cielo y a través del tiempo cósmico, y el mapa resultante lleva la huella de cómo se ha expandido el universo.

Elegir qué observar

DESI no barre el cielo a ciegas. Parte de imágenes amplias del cielo que ya existen y selecciona los objetivos más útiles por su brillo, forma y color. Los principales son:

• galaxias brillantes y relativamente cercanas;
• galaxias rojas luminosas, masivas y más lejanas;
• galaxias con líneas de emisión, cuyos espectros contienen rasgos nítidos y fáciles de reconocer;
• cuásares, faros brillantes que sirven para estudiar el universo más distante y el gas que hay entre ellos y nosotros.

Los colores dan una estimación aproximada del tipo de objeto y de su distancia. DESI hace después la medición precisa con sus espectrógrafos.

Cinco mil robots y fibras

DESI está montado en el telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros, en Kitt Peak, Arizona. Un conjunto de grandes lentes enfoca la luz sobre un plano focal curvo de unos 0,8 metros de diámetro, que cubre una zona del cielo de unos 3 grados de anchura: un campo enorme para un espectrógrafo.

Ese plano focal está dividido en diez secciones en forma de cuña, y cada una contiene 500 pequeños robots: 5.000 posicionadores robóticos en total. Cada robot lleva la punta de una fibra óptica fina. Antes de cada exposición, el software calcula dónde caerá cada objetivo en el plano focal y mueve cada fibra hasta su objetivo, como si colocara 5.000 pajitas microscópicas sobre 5.000 puntos de luz a la vez. Las fibras vecinas deben evitar chocar, así que no todos los objetivos de una zona muy poblada pueden capturarse en una sola pasada; el cielo se vuelve a visitar con asignaciones distintas.

De la luz al espectro

Durante la exposición, cada fibra recoge la luz del único objeto al que apunta. La luz viaja después por haces de fibras hasta diez espectrógrafos, cada uno alimentado por 500 fibras. Cada espectrógrafo dispersa la luz en tres bandas de longitud de onda, desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo cercano, aproximadamente de 360 a 980 nanómetros.

El resultado no es una fotografía sino un espectro para cada objeto: una curva de brillo frente a longitud de onda, con picos y valles donde los elementos químicos, las estrellas y el gas emiten o absorben luz.

Del espectro al corrimiento al rojo

Esas líneas espectrales tienen longitudes de onda medidas en el laboratorio. En una galaxia lejana llegan estiradas hacia longitudes de onda más largas, porque la expansión del universo estiró la luz durante su viaje hasta nosotros. La cantidad de estiramiento es el corrimiento al rojo, z:

z = (longitud de onda observada − longitud de onda emitida) / longitud de onda emitida.

Si una línea que debería estar en 500 nm se ve en 750 nm, su corrimiento al rojo es (750 − 500) / 500 = 0,5. Un corrimiento al rojo cosmológico mayor suele significar luz más antigua, de más lejos. La cadena de procesamiento de DESI calibra cada espectro, identifica el objeto y entrega un corrimiento al rojo junto con una estimación de su fiabilidad.

De los corrimientos al rojo a un mapa 3D

Para cada galaxia, DESI conoce dos ángulos en el cielo y, a partir del corrimiento al rojo, aproximadamente a qué distancia está a lo largo de la línea de visión. Al apilar millones de esas mediciones aparece la red cósmica: filamentos de galaxias, cúmulos densos, paredes en forma de lámina y grandes vacíos casi desiertos.

Hay una sutileza. Un corrimiento al rojo no es automáticamente una distancia exacta: convertir uno en la otra exige saber cómo se expandió el universo. Y esa historia de expansión es precisamente lo que DESI intenta medir. El mapa y la medición son el mismo problema visto desde dos lados.

Cómo un mapa se convierte en una medición de la energía oscura

DESI lee la energía oscura sobre todo a partir de dos rasgos estadísticos del mapa.

El primero es la oscilación acústica bariónica, o BAO: una regla estándar congelada en el universo temprano. Antes de que hubiera estrellas, ondas de presión recorrían el plasma caliente de materia y luz; cuando el universo se enfrió y las ondas se detuvieron, dejaron una separación ligeramente preferida entre galaxias, una escala comóvil de unos 490 millones de años luz: una distancia expresada con la expansión del universo factorizada, para poder compararla entre épocas. Como esa longitud real se conoce por la física del universo temprano, DESI puede medir qué tamaño parece tener la regla a distintos corrimientos al rojo —a través del cielo y a lo largo de la línea de visión— y trazar a qué ritmo se expandía el universo en cada época. Si la energía oscura ha cambiado con el tiempo cósmico, aparece como un cambio en esa historia de expansión.

El segundo rasgo son las distorsiones en espacio de corrimiento al rojo, o RSD. Las galaxias no solo viajan con la expansión cósmica; también caen hacia cúmulos y filamentos. Esos movimientos extra desplazan ligeramente los corrimientos al rojo y, estadísticamente, aplastan la red cósmica a lo largo de la línea de visión. La fuerza de ese efecto dice a qué velocidad crece la estructura bajo la gravedad, algo que la expansión acelerada tiende a frenar. Comparar las dos mediciones permite poner a prueba modelos de gravedad y de energía oscura entre sí.

Así que la energía oscura nunca se ve directamente. Se infiere de cómo cambia la tasa de expansión con el tiempo, medida contra la regla acústica y el crecimiento de la estructura.

Lo que DESI no hace

DESI no detecta partículas de energía oscura, no fotografía una sustancia invisible y no mide directamente la distancia a cada galaxia como un telémetro. Lo que mide, muy bien, son espectros, corrimientos al rojo, la distribución estadística de las galaxias y cómo cambia esa distribución con la época cósmica. La energía oscura es la explicación física que se pone a prueba cuando esas mediciones se comparan con modelos cosmológicos; no es algo que el instrumento registre.

En una frase

DESI lee los códigos de barras luminosos de millones de galaxias, construye un mapa tridimensional del universo a partir de sus corrimientos al rojo y busca en el patrón de ese mapa huellas de cómo ha cambiado la expansión cósmica con el tiempo.