El próximo Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto a más tardar para mayo de 2027, con equipos trabajando diligentemente en un posible lanzamiento ya en otoño de 2026, representa una nueva era en la investigación astronómica. Este observatorio, equipado con instrumentos avanzados, se concibe como una especie de máquina de descubrimientos, principalmente gracias a su campo de visión extremadamente amplio que generará una cantidad sin precedentes de datos científicos. Su instrumento clave, el Instrumento de Campo Amplio (WFI), que opera en el espectro del infrarrojo cercano, es capaz de capturar un área del cielo hasta 200 veces más grande que la que puede registrar la cámara infrarroja del legendario Telescopio Espacial Hubble, y con la misma nitidez y sensibilidad de imagen. Como parte de su misión principal de cinco años, el telescopio Roman dedicará aproximadamente el 75% de su tiempo de observación a realizar tres sondeos comunitarios fundamentales, que han sido definidos a través de una amplia colaboración dentro de la comunidad científica. Uno de estos sondeos clave se dedicará a una búsqueda sistemática del cielo en busca de eventos cósmicos que aparecen, destellan y cambian con el tiempo, como explosiones estelares o colisiones de estrellas de neutrones.

En busca de fenómenos cósmicos transitorios

El programa llamado High-Latitude Time-Domain Survey (Sondeo en el Dominio del Tiempo de Alta Latitud) dirigirá su mirada fuera del plano de nuestra galaxia, la Vía Láctea, es decir, a áreas de altas latitudes galácticas. El objetivo es estudiar objetos cuyo brillo cambia con el tiempo. El principal motor científico de este ambicioso sondeo es la detección de decenas de miles de un tipo específico de explosiones estelares conocidas como supernovas de tipo Ia. Estas supernovas tienen una importancia excepcional en la cosmología moderna porque sirven como "candelas estándar", herramientas con las que los astrónomos pueden medir con precisión las distancias en el universo y mapear la historia de su expansión. Al analizar estos cataclismos cósmicos, los científicos pretenden desvelar algunos de los mayores misterios del universo, incluida la naturaleza de la enigmática energía oscura.

Masao Sako de la Universidad de Pensilvania, quien copresidió el comité encargado de definir este sondeo, señala: "Roman está diseñado para encontrar decenas de miles de supernovas de tipo Ia a distancias mayores que nunca. Usándolas, podemos medir la historia de la expansión del universo, que depende de la cantidad de materia oscura y energía oscura. En última instancia, esperamos aprender más sobre la naturaleza de la propia energía oscura". Serán precisamente los datos de Roman los que proporcionarán información clave sobre si la energía oscura es una constante o si su fuerza ha cambiado a lo largo de la historia cósmica.

Las supernovas como clave para entender la energía oscura

Las supernovas de tipo Ia son extremadamente útiles como sondas cosmológicas porque los astrónomos conocen con gran certeza su brillo intrínseco en el momento de máxima explosión. Siempre explotan con un brillo máximo casi idéntico. Al comparar este brillo intrínseco conocido con su brillo aparente observado desde la Tierra, los científicos pueden calcular a qué distancia se encuentran. Cuanto más tenue parece la supernova, más lejos está de nosotros. Al mismo tiempo, el telescopio Roman también podrá medir la velocidad a la que estas supernovas se alejan aparentemente de nosotros, analizando el corrimiento al rojo de su luz. Al rastrear la velocidad de recesión a diferentes distancias, los científicos podrán reconstruir con precisión la historia de la expansión cósmica a través de diferentes épocas del universo. Esto es crucial para comprender el papel de la energía oscura, la fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo.

Solo el telescopio Roman tendrá la capacidad de encontrar las supernovas más tenues y distantes que iluminaron las épocas cósmicas tempranas. Complementará así el trabajo de los telescopios terrestres, como el Observatorio Vera C. Rubin en Chile, que están limitados por la absorción de la luz en la atmósfera terrestre y otros efectos. La mayor fortaleza del Observatorio Rubin será encontrar supernovas que ocurrieron en los últimos 5 mil millones de años. Por otro lado, Roman ampliará esta colección a períodos mucho más tempranos en la historia del universo, llegando hasta 11 mil millones de años en el pasado, es decir, a una época en que el universo tenía solo unos 3 mil millones de años. Esto más que duplicará la línea de tiempo medida de la historia de la expansión del universo, proporcionando una visión detallada sin precedentes. Recientemente, el Dark Energy Survey reveló indicios de que la energía oscura podría estar debilitándose con el tiempo, en lugar de ser una fuerza de expansión constante. Las investigaciones de Roman serán de crucial importancia para probar esta intrigante posibilidad.

Estrategia de observación y la caza de eventos raros

Para detectar objetos transitorios, cuyo brillo cambia, Roman debe volver a visitar las mismas áreas del cielo a intervalos regulares. El High-Latitude Time-Domain Survey dedicará un total de 180 días de tiempo de observación a estas observaciones, distribuidos a lo largo de un período de cinco años. La mayoría de las observaciones se llevarán a cabo durante un período de dos años en medio de la misión, cuando los mismos campos se volverán a fotografiar cada cinco días. Se realizarán 15 días adicionales de observación al comienzo de la misión para establecer una imagen de referencia del cielo.

"Para encontrar cosas que cambian, utilizamos una técnica llamada sustracción de imágenes", explica Sako. "Tomas una imagen nueva y le restas una imagen de la misma parte del cielo tomada mucho antes, lo antes posible en la misión. De esta manera, eliminas todo lo que es estático y te quedas solo con los objetos que son nuevos o que han cambiado de brillo".

El sondeo también incluirá un componente extendido que volverá a visitar algunos de los campos de observación aproximadamente cada 120 días para buscar objetos que cambian en escalas de tiempo más largas. Esto ayudará en la detección de los fenómenos transitorios más distantes que existieron incluso hace 13 mil millones de años, es decir, solo mil millones de años después del Big Bang. Estos objetos varían más lentamente debido a la dilatación del tiempo causada por la expansión del universo.

"Realmente nos beneficiamos de observar durante toda la duración de cinco años de la misión", dice Brad Cenko del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, el otro copresidente del comité de investigación. "Esto te permite capturar estos eventos muy raros y muy lejanos que de otro modo son difíciles de conseguir, pero que nos dicen mucho sobre las condiciones en el universo primitivo".

La búsqueda de los fenómenos más exóticos del universo

Este componente extendido del sondeo recopilará datos sobre algunos de los fenómenos transitorios más energéticos y duraderos. Entre ellos se encuentran los eventos de disrupción de marea (Tidal Disruption Events), fenómenos espectaculares en los que un agujero negro supermasivo desgarra literalmente con su gravedad a una estrella que se acerca demasiado. También se buscarán eventos predichos pero aún no vistos, conocidos como supernovas de inestabilidad de pares (pair-instability supernovae). Se trata de explosiones teóricamente predichas de estrellas extremadamente masivas que son tan potentes que no dejan ningún remanente, como una estrella de neutrones o un agujero negro, sino que se dispersan por completo en el espacio. El descubrimiento de un evento de este tipo representaría un gran paso adelante en la comprensión de la evolución de las estrellas más masivas.

Detalles del sondeo y colaboración global

El High-Latitude Time-Domain Survey se dividirá en dos niveles de imagen: un nivel amplio que cubrirá un área más grande del cielo y un nivel profundo que se centrará en un área más pequeña, pero con tiempos de exposición más largos para detectar objetos más tenues y distantes. El nivel amplio, que cubrirá algo más de 18 grados cuadrados (un área en el cielo tan grande como 90 Lunas llenas), apuntará a objetos de los últimos 7 mil millones de años, es decir, en la segunda mitad de la historia del universo. El nivel profundo, que cubrirá un área de 6.5 grados cuadrados, alcanzará objetos más tenues que existieron hace hasta 10 mil millones de años. Las observaciones se llevarán a cabo en dos áreas, una en el cielo norte y otra en el cielo sur, para garantizar una cobertura completa.

A este sondeo se unirá también un componente espectroscópico, que se limitará al cielo sur. "Tenemos una asociación con el Observatorio Subaru terrestre, que realizará el seguimiento espectroscópico en el cielo norte, mientras que Roman hará la espectroscopia en el cielo sur. Con la espectroscopia, podemos determinar con confianza de qué tipo de supernova se trata", explica Cenko. La espectroscopia descompone la luz de un objeto en sus colores constituyentes, revelando su composición química y otras características físicas, lo cual es crucial para confirmar que se trata de una supernova de tipo Ia. Junto con los otros dos sondeos fundamentales del telescopio Roman, el High-Latitude Wide-Area Survey y el Galactic Bulge Time-Domain Survey, este sondeo ayudará a mapear el universo con una claridad y profundidad nunca antes alcanzadas.