La materia oscura es invisible para todos nuestros instrumentos, pero eso no significa que no esté allí. Un radiotelescopio lo suficientemente grande debería ser capaz de mapear la radiación del hidrógeno pregaláctico, formado poco después del Big Bang, y visible en todas las direcciones. Cualquier materia oscura que intervenga distorsionará esta radiación, como ondas en un estanque, revelando su presencia y cantidad.
A medida que la luz viaja hacia nosotros desde objetos distantes, su camino se dobla ligeramente por los efectos gravitacionales de las cosas que pasa. Este efecto se observó por primera vez en 1919 para la luz de estrellas distantes que pasaban cerca de la superficie del Sol, lo que demuestra que la teoría de la gravedad de Einstein es una mejor descripción de la realidad que la de Newton. La flexión provoca una distorsión detectable de las imágenes de galaxias distantes análoga a la distorsión de una escena distante vista a través de un panel de ventana pobre o reflejada en un lago ondulado. La fuerza de la distorsión se puede usar para medir la fuerza de la gravedad de los objetos en primer plano y, por lo tanto, su masa. Si las mediciones de distorsión están disponibles para un número suficientemente grande de galaxias distantes, se pueden combinar para hacer un mapa de toda la masa en primer plano.
Esta técnica ya ha producido mediciones precisas de la masa típica asociada con las galaxias en primer plano, así como mapas de masa para una serie de cúmulos de galaxias individuales. Sin embargo, sufre algunas limitaciones fundamentales. Incluso un gran telescopio en el espacio solo puede ver un número limitado de galaxias de fondo, un máximo de aproximadamente 100,000 en cada parche de cielo del tamaño de la Luna Llena. Las medidas de aproximadamente 200 galaxias se deben promediar juntas para detectar la señal de distorsión gravitacional, por lo que el área más pequeña para la que se puede obtener una imagen de la masa es aproximadamente un 0.2% de la Luna Llena. Las imágenes resultantes están inaceptablemente borrosas y son demasiado granuladas para muchos propósitos. Por ejemplo, solo los trozos de materia más grandes (los cúmulos de galaxias más grandes) se pueden ver en tales mapas con cierta confianza. Un segundo problema es que muchas de las galaxias distantes cuya distorsión se mide se encuentran frente a muchos de los bultos de masa que uno quisiera mapear, y por lo tanto no se ven afectados por su gravedad. Hacer una imagen nítida de la masa en una dirección dada requiere fuentes más distantes y requiere muchas más. Los científicos del MPA Ben Metcalf y Simon White han demostrado que las emisiones de radio que nos llegan desde la época anterior a la formación de las galaxias pueden proporcionar tales fuentes.
Unos 400,000 años después del Big Bang, el Universo se había enfriado lo suficiente como para que casi toda su materia ordinaria se convirtiera en un gas de hidrógeno y helio difuso, casi uniforme y neutral. Unos cientos de millones de años después, la gravedad había amplificado las no uniformidades hasta el punto en que podían formarse las primeras estrellas y galaxias. Su luz ultravioleta luego volvió a calentar el gas difuso. Durante este recalentamiento y durante un período prolongado antes, el hidrógeno difuso estaba más caliente o más frío que la radiación que quedaba del Big Bang. Como resultado, debe haber absorbido o emitido ondas de radio con una longitud de onda de 21 cm. La expansión del Universo hace que esta radiación sea visible hoy en longitudes de onda de 2 a 20 metros, y actualmente se están construyendo una serie de radiotelescopios de baja frecuencia para buscarla. Uno de los más avanzados es el Low Frequency Array (LOFAR) en los Países Bajos, un proyecto en el que el Instituto Max Planck de Astrofísica planea tomar un papel importante, junto con varias otras instituciones alemanas.
El hidrógeno pregaláctico tiene estructuras de todos los tamaños que son los precursores de las galaxias, y hay hasta 1000 de estas estructuras a diferentes distancias a lo largo de cada línea de visión. Un radiotelescopio puede separarlos porque las estructuras a diferentes distancias emiten señales a diferentes longitudes de onda observadas. Metcalf y White muestran que la distorsión gravitacional de estas estructuras permitiría que un radiotelescopio produzca imágenes de alta resolución de la distribución de masa cósmica, que son más de diez veces más nítidas que las mejores distorsiones de galaxias. Un objeto similar en masa a nuestra propia Vía Láctea podría detectarse desde el momento en que el Universo tenía solo el 5% de su edad actual. Dichas imágenes de alta resolución requieren una gran variedad de telescopios, que cubren densamente una región de unos 100 km de diámetro. Esto es 100 veces el tamaño planeado para la parte central densamente cubierta de LOFAR, y aproximadamente 20 veces más grande que el núcleo densamente cubierto de la matriz de kilómetros cuadrados (SKA), la instalación más grande de este tipo actualmente en discusión. Tal telescopio gigante podría mapear toda la distribución de masa gravitante del Universo, proporcionando el último mapa de comparación para las imágenes producidas por otros telescopios que resaltan solo la pequeña fracción de la masa que emite radiación que pueden detectar.
Sin embargo, no tenemos que esperar a que el telescopio gigante obtenga resultados incomparables de esta técnica. Uno de los problemas más apremiantes en la física actual es obtener una mejor comprensión de la misteriosa Energía Oscura que actualmente impulsa la expansión acelerada del Universo. Metcalf y White muestran que los mapas de masas de una gran fracción del cielo hechos con un instrumento como SKA podrían medir las propiedades de la Energía Oscura con más precisión que cualquier método sugerido anteriormente, más de 10 veces más exactamente que los mapas de masas de tamaño similar basados en la gravedad. distorsiones de las imágenes ópticas de galaxias.
Fuente original: Comunicado de prensa del Instituto Max Planck de Astrofísica
