La motivación científica del proyecto SKA

Los telescopios del SKA abordarán una gama muy amplia de cuestiones astrofísicas que aún no tienen respuesta y, a su vez, complementarán la banda del espectro electromagnético en longitudes de onda larga de la próxima generación de instalaciones de observación terrestres y espaciales. Mediante consulta científica abierta, la lista de factores que motivan la ciencia de SKA –áreas clave de la ciencia que los científicos podrán desentrañar con los datos de SKA– ha ido, con el tiempo, refinando y desarrollando los argumentos científicos a favor del SKA. A continuación se exponen algunos de los objetivos más contundentes.

Explorando la Edad Oscura: el Amanecer Cósmico y la Época de Reionización

Concepción artística del Amanecer Cósmico y la Época de la Reionización. Crédito de la imagen: Avi Loeb/Scientific American.

 ¿Dónde empezó todo? ¿Cómo y cuándo se formaron las primeras estrellas, galaxias y agujeros negros? 

El SKA permitirá medir de manera excepcional una secuencia temporal completa de imágenes desde el inicio del Amanecer Cósmico hasta el final de la Reionización, utilizando la tenue señal de radio procedente del hidrógeno. La película resultante de los primeros 700 millones de años del universo dará respuesta a multitud de preguntas. ¿Cuándo se formaron exactamente las primeras estrellas? ¿Fueron las estrellas individuales, los grandes cúmulos estelares o incluso los primeros agujeros negros la fuente más importante de calentamiento e ionización del universo? ¿Cómo se desarrolló detalladamente el proceso? ¿Hubo una única progresión de la oscuridad a la luz o se produjeron múltiples fuentes de calor dominantes en distintos momentos? Este capítulo fundamental de la historia del universo se escribió hace mucho tiempo, pero ahora espera ser leído.

Cosmología y Energía Oscura

Fondo de radiación cósmica de microondas: Crédito de la imagen: NASA/WMAP Science Team.

¿Podemos desvelar la misteriosa naturaleza de la Energía Oscura? ¿Cómo y por qué se ha convertido en la principal protagonista de nuestro universo?

Una de las mayores sorpresas de las últimas décadas ha sido el descubrimiento de que la materia ordinaria –la materia de la que estamos hechos y que se describe en la tabla periódica de los elementos– no es más que un componente menor de nuestro universo que aparece en una proporción 5 veces menor que cierto tipo de materia oscura invisible. Tras este hallazgo, se descubrió la llamada energía oscura con una contribución aún mayor. Dado que ninguno de estos constituyentes había sido predicho por las teorías actuales, seguimos necesitando un nuevo marco teórico basado en observaciones. El SKA supondrá un avance fundamental en nuestra comprensión de los componentes oscuros al medir la ecuación de estado de la energía oscura con un error inferior al 10%; al acotar las posibles desviaciones de la relatividad general a escalas cosmológicas; y al cartografiar la estructura del universo a las mayores escalas accesibles, acotando así propiedades fundamentales como la isotropía y la homogeneidad.

Formación estelar a lo largo del tiempo cósmico

¿Cómo y cuándo nacieron las primeras estrellas? ¿Cómo ha cambiado el ritmo de formación estelar a lo largo del tiempo y por qué?
Aunque el patrón de crecimiento y declive de la formación estelar con el tiempo está bien establecido, aún quedan muchas preguntas por responder. Se tienen pruebas de que el modo fundamental de formación estelar era esencialmente diferente en el universo primitivo y que, a menudo, se producía dentro de intensas concentraciones de supercúmulos estelares (SSC, por sus siglas en inglés) que tienen pocos o ningún equivalente en la actualidad. ¿Cuándo y dónde surgió por primera vez este modo y cómo y por qué llegó a desaparecer? El SKA desempeñará un papel clave en la respuesta a estas preguntas, ya que es probable que este tipo de fenómenos estén tan profundamente cubiertos por la materia que sólo puedan observarse a frecuencias de radio capaces de pasar a través de ella. Con la integración de las imágenes más profundas observadas con los telescopios del SKA, será posible detectar SSC que se remontan a cuando el universo tenía sólo 500 millones de años de edad, y obtener imágenes resueltas de tales estructuras con una antigüedad de hasta 1.000 millones de años. El SKA proporcionará un muestreo sin sesgos de volúmenes cósmicos representativos, complementario al trabajo iniciado por el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en áreas de estudio más pequeñas.

El cielo en erupción

Impresión artística de una estrella en explosión. Crédito de la imagen: digitalblasphemy.com

¿Cuáles son los mecanismos que generan las ráfagas rápidas y violentas de ondas de radio? ¿Qué pueden decirnos sobre los componentes del universo?

SKA nos permitirá asociar miles de ráfagas rápidas de radio (FRB por sus siglas en inglés) individuales con los objetos que las albergan, lo que nos permitirá cartografiar el contenido de plasma en el universo. Esto permitirá seguir la evolución temporal del universo de una forma nunca antes posible. También ayudará a desvelar los llamados «bariones perdidos», determinar la historia de la ionización del universo y proporcionar medidas nuevas e independientes de los principales motores de la expansión cósmica: la masa del universo y la energía oscura. El estudio de los FRB con el SKA abrirá una ventana completamente nueva al cosmos.

Evolución Galáctica

Imagen del hidrógeno neutro del grupo de galaxias de M81 en interacción. Crédito de la imagen: NRAO/AUI. 

¿Cuál es el ciclo de vida de una galaxia? ¿De dónde vienen y adónde van? ¿Cuáles son las propiedades de la misteriosa energía oscura?

El SKA permitirá observar, por primera vez, la evolución de las galaxias a lo largo del tiempo cósmico, a través del estudio de la concentración y la transformación del hidrógeno atómico. Tendrá la sensibilidad necesaria para estudiar las concentraciones de hidrógeno asociadas a las galaxias, incluso en el universo lejano y primitivo. SKA podrá proporcionar muestras de 10 millones de galaxias que abarcan 8.000 millones de años de evolución, lo que supondrá un gran avance en nuestra comprensión del ciclo vital de las galaxias. Con futuras y significativas mejoras en la velocidad de observación, será posible realizar el censo de galaxias más completo que se haya hecho jamás, abarcando mil millones de galaxias individuales y 12.500 millones de años de historia cósmica. A partir de estos datos, los astrónomos podrán determinar, de la forma más precisa concebida hasta la fecha, las propiedades de la energía oscura.

Magnetismo Cósmico

Orientación del campo magnético en la galaxia espiral M51. Crédito de la imagen: G. Heald, con datos de Fletcher et al. (2011) y NASA, Hubble Heritage Team. 

¿Cómo se volvió magnético el universo? ¿Dónde y cuándo se originó el magnetismo y cómo se ha propagado?
Los campos magnéticos desempeñan un papel importante en todo el universo, desde escalas tan pequeñas como los centímetros hasta tan grandes como millones de años luz, y podrían desempeñar un papel muy influyente en toda una serie de procesos astronómicos. SKA será el único sistema que proporcionará a los científicos la capacidad de detectar, estudiar y comprender la naturaleza de los campos magnéticos en todo el universo. El objetivo de esta investigación es explicar cómo y cuándo surgieron los campos magnéticos y cómo evolucionaron hasta alcanzar su intensidad actual. SKA permitirá crear el primer mapa tridimensional de la distribución de campos magnéticos en el universo, midiendo las componentes magnéticas individuales a lo largo de nuestra línea de visión para muestras extremadamente amplias, repartidas por todo el cielo a distancias variables.

Desafiando a Einstein: Ondas gravitacionales

Concepción artística de un púlsar y su estrella compañera. Crédito de la imagen: Casey Reed/NASA. 

¿Tenía razón Einstein sobre la gravedad? ¿Podemos encontrar y comprender de dónde proceden las ondas gravitacionales?
El Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) realizó en 2015 la primera detección directa de ondas gravitacionales mediante detectores de 4 km de longitud. El SKA utilizará toda nuestra galaxia como detector para medir ondas gravitacionales de periodo largo (las que duran de meses a años) imposibles de detectar con detectores terrestres. El periodo de la onda es una medida directa de la masa, lo que hace que el SKA sea sensible a los mayores agujeros negros y a las mayores estructuras del universo. El método de detección consiste en utilizar estrellas de neutrones que giran muy rápido y cuyos polos emiten haces de ondas de radio, conocidos como púlsares de milisegundos, como un sistema de relojes de alta precisión repartidos por toda nuestra galaxia. Cada línea que conecta el SKA con un púlsar, que puede tener una longitud de miles de años luz, actúa como un detector similar a LIGO pero a escala de la Vía Láctea. El paso de cualquier onda gravitatoria de largo periodo por los púlsares provocará una fluctuación correlativa en el tiempo medido por esos relojes. El primer objetivo será detectar el fondo de ondas gravitacionales de largo periodo debido a fuentes procedentes de todas las direcciones y distancias. Con una mayor sensibilidad y un tiempo de muestreo más grande, debería ser posible identificar fuentes individuales de dichas ondas y comenzar a realizar astronomía de ondas gravitacionales por primera vez, abriendo una nueva ventana al universo y proporcionando una visión de cómo evolucionan las galaxias y de la naturaleza de la propia gravedad.

La cuna de la vida

Concepción artística de un disco protoplanetario. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech. 

¿Cómo se forma un planeta con piedras espaciales? ¿Estamos solos en el universo?

El objetivo de esta motivación científica es doble:

1) Entender cómo las piedras más pequeñas del disco que rodea a las estrellas jóvenes son capaces de unirse entre sí para formar los bloques que finalmente se fusionan para dar lugar a  planetas. El SKA permitirá, por primera vez, presenciar esta fase del ensamblaje planetario al observar exactamente en las longitudes de onda de radio del tamaño de las partículas que se unen (desde centímetros a metros). Dichas observaciones poseerán la suficiente resolución para observar la formación de planetas en órbitas similares a la Tierra alrededor de sus estrellas progenitoras.

2) Detectar la presencia de civilizaciones tecnológicamente activas en otros lugares de nuestra galaxia, en caso de que existan. La gran sensibilidad del SKA permitirá, por primera vez, detectar emisiones de naturaleza similar a las generadas en la Tierra por la actividad humana que provengan de planetas alrededor de estrellas cercanas.