Galaxias, exoplanetas, lunas gigantes, ondas gravitacionales, agujeros negros, estrellas… Justo cuando la sonda New Horizons ha llegado a Plutón -y hemos conocido la composición de su interior- comprendemos la importancia de conocer los secretos que aún guarda el cosmos. Los desafíos astronómicos nos acercan cada día más a sus confines y, por qué no, a las profundidades de nuestros orígenes. Todo ello se puso de manifiesto recientemente en la Universidad de la Laguna en la Semana Europea de la Astronomía y las Ciencias del Espacio (EWASS), el mayor congreso de astronomía en Europa. Ahora que la canícula propicia una mirada precisa y despejada de nuestros cielos, algunos de sus participantes, máximos representantes de nuestro país en el estudio del universo, han seleccionado para El Cultural el desafío que desde su punto de vista marcará su disciplina los próximos años.

Saturno y su luna Titán observados por la nave especial Cassini. Foto: NASA

Titán y las muestras de los asteroides

Agustín Sánchez Lavega
Catedrático de Física Aplicada. Grupo Ciencias Planetarias. Universidad del País Vasco UPV/EHU.

Con la llegada de la nave Nuevos Horizontes a Plutón, el objeto más lejano visitado por una nave espacial a casi 4.800 millones de kilómetros de la Tierra, se completa el tour por todos los planetas y sus satélites, y por varios asteroides y cometas del sistema solar. En tan solo 60 años desde que se lanzara al espacio el Sputnik.

Entre los próximos objetivos se encontrarán el profundizar en la búsqueda de vida extinta y quién sabe si actual en algún nicho en Marte, trayendo muestras de áreas selectas a la Tierra, y en analizar en detalle la potencialidad astrobiológica de los océanos sub-superficiales de las lunas Europa y Ganimedes de Júpiter y de la pequeña luna Encelado de Saturno.

La exploración in situ de la luna gigante Titán de Saturno y sus lagos de hidrocarburos, la recogida y traída de muestras de asteroides y cometas, y el estudio de las complejas atmósferas de los planetas gaseosos gigantes y de su interior, serán desafíos irrenunciables a la exploración espacial que viene.

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Impresión artística de Gaia. Foto: ESA

El mapa más completo de la Vía Láctea

Carme Jordi
Profesora del Dept. Astronomia i Meteorologia, Universitat Barcelona, ICCUB/IEEC (miembro del Gaia Science Team).

La Galaxia en la que vivimos está compuesta de estrellas, gas, polvo y una enorme cantidad de materia oscura. ¿Cuál ha sido la evolución de la Vía Láctea hasta llegar a su estado actual? ¿Qué episodios de canibalismo de galaxias satélites han ocurrido? ¿Cuál es su estructura detallada y cuantos brazos tiene? ¿Cómo está distribuida la materia oscura? Estas y muchas otras preguntas sobre nuestra Galaxia y sus componentes podrán responderse con el mapa 3D que el satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea está realizando.

Lanzado en diciembre de 2013, durante 5 años Gaia medirá las posiciones, movimientos, edades y composiciones químicas de mil millones de estrellas. La precisión de las medidas es equivalente a distinguir desde la Tierra los ojos de un astronauta paseando por la Luna. La ingente cantidad y variedad de los datos obtenidos necesita de un procesado complejo distribuido en diversos centros de supercomputación. El archivo final, de aproximadamente 1 Petabyte de datos, va a revolucionar sin duda toda la astrofísica de las próximas décadas.

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Galaxia M51

Detectar galaxias del pasado

Pablo Pérez González
Profesor titular del Dpto. de Astrofísica y Ciencias de la Atmósfera de la Universidad Complutense de Madrid.

Con el mismo espíritu que tiene un historiador indagando en los archivos de la Biblioteca Nacional, algunos astrofísicos nos preguntamos cómo se formó nuestra Galaxia, la Vía Láctea, o galaxias parecidas a ella en tamaño y forma, e indagamos en el cielo buscando la Historia del Universo.

Afortunadamente para los astrofísicos, ver directamente el pasado del Universo es "muy fácil": solo hay que buscar galaxias lejanas con lo que llamamos exploraciones cosmológicas y, una vez halladas, estudiarlas en detalle. Que una galaxia sea muy lejana significa que la luz que vemos de ella ha tardado mucho tiempo en llegar a nosotros, con lo que, en realidad, cuando nos llega esa luz y "vemos la galaxia" estamos observando cómo era el Universo hace mucho tiempo.

Hoy, con telescopios como el Gran Telescopio Canarias (GTC), el telescopio óptica más grande del mundo, o el telescopio espacial Hubble, vemos galaxias tan lejanas que existieron en el Universo cuando solo tenía 600 millones de años, cuando actualmente tiene 14000 millones de años. El Sol ni siquiera existía entonces, y es que en realidad casi estamos viendo cómo estaba naciendo la primera generación de estrellas del Universo (el Sol es una estrella de tercera generación). "En tiempo real" podemos ver cómo eran las galaxias a cualquier época en la Historia del Universo, y aunque no podemos ver exactamente la Vía Láctea en el pasado, sí podemos ver galaxias en el pasado que hoy deben ser parecidas a la Vía Láctea.

El gran reto de los astrofísicos hoy es detectar las primeras galaxias que se formaron, y todas las posibles entre medias, y establecer cómo esas "galaxias del pasado", nuestros progenitores, evolucionaron para dar "galaxias de hoy", sus descendientes, como la Vía Láctea.

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Foto: NASA, Goddard Space Flight Center

Cartografiar las galaxias

Licia Verde
ICREA & ICCUB, Barcelona  (ES) y UiO, Oslo (NO)

En Cosmología, gracias a los enormes avances observacional de los últimos 20 años, tenemos hoy  un modelo estándar.  Este modelo, con un puñado de parámetros, describe espectacularmente bien cómo se formó y evolucionó nuestro Universo. Los parámetros del modelo están medidos con la asombrosa precisión del orden del 1%.  Aún así muchas preguntas fundamentales quedan abiertas: ¿Qué es lo que impulsa la expansión acelerada del Universo al día de hoy? ¿Qué mecanismo lo hizo en la época del big bang? ¿Qué es la materia oscura? ¿Hay huellas de nueva física en el cosmos? ¿Juegan los neutrinos un papel importante en la formación de las estructuras cósmicas?

Estas preguntas indican que hay conexiones profundas entra la física fundamental y la cosmología. Mirar al cielo nos permite explorar física a escalas y energías que no se pueden probar en un laboratorio en la Tierra. En cosmología, está en marcha un esfuerzo experimental ambicioso que arrojará alguna luz sobre estas grandes preguntas. En los próximos años, grandes cartografiados de galaxias proporcionarán mapas tridimensionales de la distribución de estructuras cósmicas de un buen trozo del Universo observable. Será una avalancha de datos, que transformará el campo en ciencia de "big data".

Estos experimentos ofrecen así una oportunidad única para restringir la física fundamental a partir  de las observaciones cosmológicas. Los avances en este campo sin duda serán impulsados por datos, pero para que este programa experimental tenga éxito, se requiere también un esfuerzo importante teórico y de interpretación de los datos. Mi investigación  se centra en desarrollar la metodología  y modelos para poder interpretar lo más correctamente posible estas observaciones.

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Azucar en las nebulosas de Ofiuco: una clave para el origen cósmico de la vida. Foto: ALMA/ESO/NRAO/NAOJ

El origen de las estrellas, los planetas y la vida

Rafael Bachiller
Astrónomo, director del Observatorio Astronómico Nacional (IGN) y miembro del Consejo Editorial de El Mundo.

Las estrellas y los planetas son los ladrillos básicos con los que está construido el gran edificio del Universo, por eso comprender los mecanismos de su formación constituye uno de los mayores retos de la astrofísica contemporánea. Para ello, los astrónomos estudiamos las regiones de las galaxias en las que tiene lugar el nacimiento de estrellas nuevas. A menudo se trata de regiones enterradas en las profundidades de grandes nubes de gas y polvo, que no resultan visibles con telescopios ópticos, pero que pueden ser escrutadas gracias a telescopios que trabajan en el infrarrojo, como los espaciales Herschel y Spitzer, y en ondas de radio, como ALMA y el futuro SKA.

La composición química de estas regiones reviste una alta complejidad: las moléculas allí detectadas son muy variadas, desde el agua a algún azúcar simple. Así ha nacido la Astroquímica, una disciplina de gran relevancia para la Astrobiología y que, gracias a esos observatorios, se encuentra en una auténtica edad de oro, ofreciéndonos claves fundamentales sobre el origen cósmico de la vida.

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Comparacion del tamaño de Kepler 3 con Neptuno. Foto: David Aguilar

Descubrimiento de exoplanetas

María Rosa Zapatero Osorio
Investigadora Científica del CSIC, Centro de Astrobiología (INTA-CSIC).

Veinte años después del primer descubrimiento de un exoplaneta joviano en torno a una estrella parecida al Sol se han identificado más de un millar de planetas gigantes en otros sistemas planetarios de la Galaxia. Sus masas y tamaños son muy parecidos a los de Júpiter, Saturno y Neptuno, los mayores planetas en nuestro sistema solar, aunque en un asombroso número de casos, sus órbitas están muy próximas a la estrella central a diferencia de la arquitectura de nuestro propio sistema. Las observaciones confirman que los exoplanetas de gran masa son frecuentes, y los datos apuntan a que los planetas más pequeños y menos masivos, como la Tierra, podrían ser incluso bastante más numerosos.

Hoy día, los investigadores dedican gran parte de sus esfuerzos a la (compleja y difícil) búsqueda, detección y caracterización de planetas telúricos "gemelos" a la Tierra, o súper tierras, en las zonas de habitabilidad de sus respectivas estrellas que van desde las de tipo solar a las más frías y de menor masa. Los instrumentos como ESPRESSO, CARMENES y SPIRou analizarán en gran detalle y a lo largo de la próxima década y media la luz procedente de las estrellas brillantes y próximas con el objetivo principal de encontrar un planeta que reúna las condiciones adecuadas para mantener agua líquida en su superficie (el disolvente esencial para la vida en nuestro planeta).

A estos instrumentos de los telescopios de superficie se suman las misiones espaciales Kepler-2, PLATO, CHEOPS, y TESS de las agencias espaciales europea y norteamericana. Toda esta poderosa instrumentación, junto con el telescopio espacial de nueva generación JWST y el telescopio europeo de grandes dimensiones E-ELT, proporcionarán un escenario único con el que descubrir y conocer las propiedades del primer planeta "habitable" más allá del sistema solar.

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La galaxia activa Centauro A, observada en luz visible, submilimétrica (naranja) y rayos X (azul). Foto: ESO/WFI

El crecimiento de los agujeros negros

Xavier Barcons
Profesor de Investigación del CSIC y miembro del equipo científico de la misión Athena de la ESA.

¿Cómo pueden sobrevivir las galaxias a la formación de un agujero negro gigante en su centro, cuando la energía liberada para ello habría sido capaz de desmontar la galaxia entera 10 veces? El crecimiento de agujeros negros genera gran cantidad de energía mecánica, de ahí que las galaxias más grandes dejen de formar estrellas. Salvo a grandes trazos, no sabemos ni cuándo ni cómo ocurrió nada de esto. Para entenderlo hace falta poder observar el Universo hasta la formación de las primeras galaxias: en rayos X con la misión Athena de la ESA para ver los agujeros negros en crecimiento, con el telescopio óptico/infrarrojo E-ELT de la ESO para ver las primeras estrellas que formaron esas galaxias y con el radiotelescopio subm-milimétrico ALMA para medir el gas disponible en esas galaxias. ¿Hacen falta más retos?

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El radiotelescopio SKA

El radiotelescopio definitivo

Lourdes Verdes-Montenegro
Investigadora Científica del CSIC, Centro de Astrobiología (INTA-CSIC).

A día de hoy aún no ha sido posible vislumbrar el nacimiento de las primeras galaxias y estrellas, estudiar por qué el universo se expande aceleradamente, comprobar si existen las ondas gravitatorias predichas por Einstein, o detectar en planetas fuera de nuestro Sistema Solar moléculas que confirmen (o no) la existencia de vida. ¿Qué tienen en común todos estos grandes desafíos de la astrofísica, física fundamental y astrobiología?: la necesidad de un instrumento singular que mida señales ultra débiles en longitudes de onda de radio con una capacidad de discernir detalles sin precedentes, un radiotelescopio con capacidades de órdenes de magnitud superiores a las de los actualmente existentes. Tal instrumento está ya siendo diseñado, y constituirá la mayor infraestructura científica sobre la tierra, pues deberá conectar entre sí miles de antenas, separadas por distancias de hasta 3000 km, con un área colectora total equivalente a un kilómetro cuadrado, característica que ha dado nombre al proyecto Square Kilometre Array (SKA).

SKA no solo unirá a científicos de diferentes disciplinas de más de veinte países, sino que va a convertirse en uno de los mayores contratistas del mundo para la Industria de la Ciencia. A cada paso, SKA va a impulsar nuevas áreas de investigación en Big Data, telecomunicaciones o generación eficiente de energía limpia. Un proyecto en cuyo diseño empresas tecnológicas y grupos de investigación españoles llevan años trabajando y que afrontará en poco más de un año la fase de construcción, momento en el que España debe haberse integrado como socio si no quiere quedar fuera de esta aventura internacional.

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Experimento QUIJOTE, en el Observatorio del Teide. Foto: Daniel López / Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)

Ondas gravitacionales

Rafael Rebolo López
Director del Instituto de Astrofísica de Canarias.

Establecer si se produjeron ondas gravitacionales en el Big Bang mediante detección de su huella en la polarización del Fondo Cósmico de Microondas es un desafío de primera magnitud. La detección de estas huellas, que denominamos modos-B en la polarización de la radiación que se originó en los primeros instantes del Universo, sería un gran paso en nuestra comprensión de fenómenos de muy alta energía que no podemos reproducir en nuestros laboratorios de partículas.

La medida encierra gran complejidad ya que no solo requiere de instrumentos muy sensibles con tecnologías muy avanzadas sino que además es necesario comprender muy bien los fenómenos de emisión de microondas  que  nuestra Galaxia y otras galaxias  producen para así poder desvelar los que son claramente de origen cosmológico. Cuando sepamos la amplitud de los modos-B tendremos una medida de la energía asociada a la Inflación, esa etapa de expansión superacelerada del Universo cerca de su origen,  y también una nueva perspectiva sobre los modelos de Gran Unificación de las Interacciones Elementales.

Este es el objetivo de nuevos experimentos como QUIJOTE en el Observatorio del Teide (Tenerife)  o BICEP2 en el Polo Sur y es el motor científico para el diseño de nuevas misiones espaciales que están llevando a cabo  grandes consorcios científicos en todo el mundo.

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El Sol. Foto: NASA/SDO

El magnetismo del Sol

María Jesús Martínez González
Investigadora postdoctoral Severo Ochoa en el IAC.

El Sol es nuestra estrella más cercana y eso lo convierte en el mejor laboratorio para estudiar con excepcional detalle la generación y evolución de campos magnéticos en plasmas astrofísicos. El gran desafío de la física solar es, no sólo comprender en detalle la compleja interacción entre el plasma de la atmósfera solar y el magnetismo, sino elevar ese conocimiento a gran escala. En primer lugar, a la heliosfera, lugar de interacción del campo magnético solar y el terrestre y por donde las expulsiones de partículas energéticas provenientes del Sol viajan hasta, ocasionalmente, llegar a la Tierra. Y en segundo lugar, a otras estrellas, ya que los campos magnéticos son un ingrediente fundamental en la formación de estrellas y su evolución, así como en la posible formación de planetas a su alrededor y la posible sustentación de vida en esos planetas.