Se utilizan todas las gamas de radiación electromagnética, desde las ondas de radio hasta la radiación gamma de alta energía. Porque cada gama espectral abre su propia ventana al espacio. Los superordenadores evalúan las enormes cantidades de datos. De este modo, se pueden estudiar fenómenos cósmicos de todo tipo con una precisión sin precedentes. En 2015, las posibilidades de examen se complementaron con otro método completamente nuevo: ahora, los científicos también pueden medir las ondas gravitacionales desde la Tierra y, por tanto, explorar acontecimientos astronómicos para los que antes no existía ningún método de medición.

Espacio virtual
Para realizar la mayor y más detallada simulación de los procesos de formación del universo hasta la fecha, Illustris TNG, los investigadores «alimentan» el ordenador de alto rendimiento Hazel Hen de Stuttgart con datos del estado inicial del cosmos. El superordenador calcula entonces la evolución del universo a lo largo de más de 13 000 millones de años. Para ello se necesitan 16 000 núcleos de procesamiento, que trabajan las veinticuatro horas del día durante más de un año; convertido a un solo PC moderno, esto corresponde a un tiempo de computación de 15 000 años. De una forma y precisión hasta ahora únicas, la simulación muestra a los investigadores las interrelaciones a gran escala en el universo, pero también detalles como los flujos de gas en las galaxias.

Materia y energía oscuras
Solo una parte muy pequeña del universo está formada por estrellas, planetas y otros cuerpos celestes que podemos observar. El resto, el 95 %, es materia y energía oscuras.

La materia oscura no es visible, pero se hace sentir a través de su gravedad. Si la materia oscura no existiera, la materia visible en el espacio tendría que comportarse de forma diferente. Por ejemplo, las galaxias como nuestra Vía Láctea tendrían que separarse. La energía oscura es el nombre de un efecto que los astrónomos utilizan para explicar la expansión acelerada del universo. Debido a la atracción mutua de las masas, el universo tendría que frenar su expansión. Pero las mediciones dicen lo contrario: ¡el universo se expande cada vez más rápido! Esto solo puede explicarse si el universo está formado por un 70 % de energía oscura.

La búsqueda de las partículas fantasma
La materia oscura, que es cinco veces más abundante en el universo que la materia «normal», es algo que no podemos ver ni medir directamente. Los investigadores sospechan que está formada por partículas elementales hasta ahora desconocidas que solo interactúan muy débilmente con la materia visible y «normal». Están buscando estas partículas con el experimento CRESST: bajo el Gran Sasso, un macizo montañoso en Italia, hay un laboratorio subterráneo con detectores de alta sensibilidad, protegidos en todas las direcciones por más de 1400 metros de roca. Todas las partículas «normales» que llegan a la Tierra desde el espacio son interceptadas por la materia de la montaña. Las partículas elementales «oscuras», en cambio, deberían penetrar en la roca casi sin obstáculos. Los instrumentos de medición son cristales de tungstato de calcio ultrapuros enfriados a casi -273 grados Celsius. Cuando una partícula de materia oscura colisiona con uno de los cristales, la temperatura aumenta en una millonésima de grado. Los termómetros de alta sensibilidad miden esta mínima diferencia.
  Dos investigadores equipan el detector del experimento CRESST en el laboratorio subterráneo de Gran Sasso. | © Astrid Eckert

Big Bang
Uno de los mayores misterios de la ciencia es la cuestión del origen del universo. Hoy sabemos que el universo se expande. También sabemos de qué manera. Retrospectivamente, la materia y la energía se condensan infinitamente. Y ahí es exactamente donde debe situarse el comienzo de nuestro universo actual: según el cálculo teórico, hace 13 800 millones de años. Pero este Big Bang no describe una explosión en un espacio. Según la teoría predominante hoy en día, él mismo es el principio del espacio, el tiempo y la materia.

© Pero, ¿cómo puede la enorme cantidad de materia y energía que contiene el universo estar comprimida en un punto tan pequeño? Para que el Big Bang —tal y como se describe hoy en día— funcione, debe haber una expansión muy corta y extremadamente rápida al principio: una inflación más rápida que la luz. Los métodos de medición basados en la radiación electromagnética no pueden utilizarse para investigar esta zona cercana al Big Bang, pero sí las ondas gravitacionales.

¿Big Bang o Big Bounce?
En el Big Bang, el espacio, el tiempo y la materia se crean de la nada, según la teoría actual. Con los conocimientos actuales, todos los procesos pueden calcularse a partir de una milmillonésima de segundo después del Big Bang. El lapso corto, pero extremadamente importante para comprender, que se encuentra directamente después del «Bang» sigue siendo desconocido. Aquí es donde entra la investigación de Anna Ijjas, una joven científica del Instituto Max Planck de Física Gravitacional. El modelo cíclico en el que está trabajando supone que un universo anterior se contrajo lentamente a unos 10-25 cm y luego se expandió de nuevo. Por tanto, el Big Bang sería más bien un Big Bounce (Gran Rebote) suave. Una parte necesaria de la teoría del Big Bang que la ciencia no ha podido explicar hasta ahora es la inflación: la expansión extremadamente rápida que se produce muy poco después del «Bang». El modelo del Big Bounce prescinde de este supuesto.
  ¿Qué había antes del Big Bang? ¿Quizás un universo anterior? | © Anna Ijjas

Ondas gravitacionales
Albert Einstein tiene razón una vez más: el 14 de septiembre de 2015 se miden por primera vez las ondas gravitacionales, 100 años después de que las describiera en su teoría de la relatividad. Pero, ¿qué son las ondas gravitacionales? Según Einstein, toda masa deja «abolladuras» en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones. Si estas masas se mueven, se crean ondas. Estas ondas se propagan en el espacio a la velocidad de la luz y distorsionan el espacio en el proceso.

Las ondas gravitacionales se generan constantemente en el espacio. Sin embargo, solo pueden medirse en la Tierra cuando masas muy grandes se mueven muy rápido, por ejemplo, cuando dos agujeros negros se fusionan. Esto es exactamente lo que se mide en septiembre de 2015. Para ello se necesitan instrumentos de medición muy sensibles: los dos interferómetros gigantes que recogen las señales están situados en Estados Unidos. Pero gran parte de la tecnología de alta precisión que se emplea en estos instrumentos de medición, y también muchos de los programas de evaluación, procede de Alemania: del Instituto Max Planck de Física Gravitacional de Potsdam y Hannover.
  Galaxias
Las galaxias son «islas de mundos» en el mar infinito del cosmos. Aquí se reúnen estrellas, sistemas planetarios, nubes de polvo, nebulosas de gas y materia oscura. Se mantienen unidas por la gravedad. Las galaxias tienen diferentes estructuras, desde simples elipses hasta galaxias espirales muy complejas con «brazos» definidos, como nuestra Vía Láctea. Varias galaxias acaban uniéndose para formar grupos y cúmulos de diferentes tamaños. Los mayores de estos cúmulos contienen varios miles de galaxias.

La nebulosa de Andrómeda es la galaxia más cercana a nosotros, del tamaño de la Vía Láctea. Es el objeto astronómico más lejano que podemos ver desde la Tierra a simple vista.
  Galaxia de Andrómeda Galaxia de Andrómeda © ESO/S. Brunier
Supernova
Algunas estrellas tienen una muerte espectacular: la brillante explosión de una estrella masiva al final de su evolución se llama supernova. La denominación (nova = nueva en latín) se remonta a Tycho Brahe. En 1572, el astrónomo danés observa la aparición repentina de una estrella muy, muy brillante donde antes no se veía absolutamente nada.

En una explosión de supernova, una gran parte de la estrella se convierte en energía y se irradia de una sola vez. Lo que queda es una estrella de neutrones o un agujero negro. Una supernova es particularmente impresionante cuando una estrella masiva llamada gigante, por ejemplo una gigante roja, agota su combustible. Se derrumba por su propia gravedad, liberando enormes cantidades de energía. La supernova puede entonces brillar más que toda la galaxia en la que se encuentra.