Illuminating the Physics of Cosmic Origin and Evolution: A UK Space Frontiers 2035 White Paper

Resumen Técnico: SIRMOS – Satélite para la Espectroscopía de Múltiples Objetos en el Infrarrojo Cercano

Planteamiento del Problema
La comprensión cosmológica actual enfrenta tres brechas fundamentales respecto al origen y la evolución del Universo: la física específica de la inflación cósmica, la naturaleza de la energía oscura (DE) que impulsa la expansión acelerada actual, y la escala de masa absoluta de los neutrinos. Si bien el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y los sondeos de galaxias de bajo desplazamiento al rojo ($z \lesssim 2$) han avanzado en el campo, carecen de la sensibilidad necesaria para distinguir entre modelos competidores en regímenes críticos.

• Inflación: Las mediciones actuales de la no gaussianidad primordial ($f_{NL}$) son insuficientes para descartar modelos de inflación de campo múltiple frente a los de campo único.
• Energía Oscura: Los indicios recientes de un estado de ecuación de la DE con evolución temporal ($w(z)$) y comportamiento "fantasma" ($w < -1$) en desplazamientos al rojo altos ($1.5 \lesssim z \lesssim 4$) permanecen sin confirmar debido a la falta de datos espectroscópicos en este "vacío de desplazamiento al rojo". Los sondeos existentes también dependen de parametrizaciones fenomenológicas (CPL) que pueden sesgar la selección de modelos.
• Masa de Neutrinos: Las restricciones cosmológicas actuales sobre la suma de las masas de los neutrinos ($\sum m_\nu$) no son lo suficientemente precisas como para detectar el escenario de masa mínima ($\sim 0.06$ eV) con alta significación, dejando la jerarquía de masas sin determinar.

Las observaciones terrestres se ven limitadas además por la absorción atmosférica, la transmisión variable y las líneas de emisión de la línea del cielo de OH, que fragmentan la ventana espectral del infrarrojo cercano (NIR) e introducen incertidumbres sistemáticas difíciles de modelar para mediciones de ultra gran escala.

Metodología y Concepto de la Misión
El artículo propone SIRMOS (Satélite para la Espectroscopía de Múltiples Objetos en el Infrarrojo Cercano), una misión de clase NASA MIDEX diseñada para realizar un sondeo espectroscópico de área amplia y alto rendimiento.

• Alcance del Sondeo: La misión apunta a un área del cielo de 14,000 deg², cubriendo el rango de desplazamiento al rojo $1 < z < 4$. El objetivo es obtener desplazamientos al rojo espectroscópicos para más de $10^8$ (100 millones) de galaxias, creando un mapa 3D denso y homogéneo de la estructura cósmica con un volumen de $\sim 500$ Gpc³.
• Instrumentación:
  • Telescopio: Un telescopio de 60 cm de diámetro, totalmente reflectante y fuera de eje, enfriado a 140 K para minimizar el fondo térmico. Cuenta con un campo de visión (FoV) de $\sim 1$ deg².
  • Espectroscopía: Utiliza un Dispositivo de Microespejos Digitales (DMD) para seleccionar y dirigir simultáneamente la luz de $\sim 4,000$ objetivos hacia un espectrómetro. Esto permite la espectroscopía de rendija de alta multiplexación.
  • Detectores: El espectrómetro utiliza un arreglo de plano focal de HgCdTe Teledyne HAWAII-4RG (H4RG) de 4K$\times$4K, que ofrece cobertura de longitud de onda continua de 1.25 a 2.5 $\mu$m a resolución moderada.
  • Imágenes: Un imager fuera de eje monitoriza estrellas de alineación para asegurar que el patrón de rendijas del DMD se alinee con las posiciones del cielo con una precisión de 0.1 segundos de arco.
• Estrategia Operativa: La misión operará en una órbita heliosincrónica. Para alcanzar la meta de $10^8$ espectros, cada campo será observado durante un total de 51 minutos, divididos en tres visitas de 17 minutos durante una misión principal de 3 años. Las galaxias que alcancen una relación señal-ruido (S/N) $\ge 5$ serán reemplazadas por nuevos objetivos tras cada visita.
• Precisión del Desplazamiento al Rojo: El enfoque de espectroscopía de rendija busca una precisión de desplazamiento al rojo de $\sigma_z/(1+z) \simeq 10^{-4}$, lo que representa una mejora de un orden de magnitud sobre las misiones de grism sin rendija (como Euclid y Roman) y es significativamente mejor que las misiones basadas en filtros (como SPHEREx).

Contribuciones Clave y Viabilidad Técnica
El artículo describe una arquitectura de misión que aprovecha tecnologías probadas para abordar las limitaciones de las instalaciones actuales y planificadas:

• Madurez Tecnológica: La carga útil depende en gran medida del legado de la misión SPHEREx para el bus del satélite y el diseño térmico (radiadores de surco en V pasivos). El DMD, actualmente en TRL 5, tiene programada una demostración en cohete para 2026 para alcanzar el TRL 6. El resto de los componentes de la carga útil se encuentran en TRL $\ge 6$.
• Soluciones de Ingeniería: El equipo propone reemplazar la ventana herméticamente sellada del DMD con una que sea transparente a la radiación NIR para permitir la operación más allá de 1.0 $\mu$m, identificada como un estudio de ingeniería de bajo riesgo.
• Gestión de Datos: La misión genera un volumen de datos diario manejable (7.4 GB), muy dentro de las capacidades de una antena estándar de banda Ka o incluso de un receptor de banda S de 2,000 kbps para descargas semanales.
• Papel Estratégico del Reino Unido: El artículo posiciona a SIRMOS como un vehículo para el liderazgo del Reino Unido, proponiendo que la industria y la academia británicas lideren la construcción del telescopio y los sistemas ópticos, basándose en la experiencia adquirida con la misión Euclid y el proyecto terrestre DESI.

Resultados Proyectados y Capacidades Científicas
Las previsiones indican que SIRMOS logrará los siguientes hitos científicos:

1. Física de la Inflación: Se proyecta que el sondeo detectará $|f_{NL}| = 1$ con un nivel de significación de $5\sigma$. Esta precisión es suficiente para distinguir decisivamente entre la inflación de campo único de rodadura lenta ($f_{NL} \approx 0$) y los modelos de inflación de campo múltiple ($|f_{NL}| \gtrsim 1$).
2. Evolución de la Energía Oscura: Al medir la historia de la expansión y el crecimiento de la estructura mediante Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO) y Distorsiones de Redshift-Espacio (RSD) en el rango $1 < z < 4$, SIRMOS puede distinguir entre una constante cosmológica y modelos de DE en evolución (incluyendo escenarios CPL y fantasma) sin depender de los datos de supernovas Tipo Ia. Aspira a resolver los indicios de comportamiento "fantasma" observados en sondeos de bajo desplazamiento al rojo.
3. Masa de Neutrinos: Combinando el análisis de espectro de potencia, bispectro y de múltiples trazadores con prioris del CMB de Planck, la misión pronostica una detección del escenario de masa mínima de neutrinos ($\sum m_\nu = 0.057$ eV) con una significación $> 10\sigma$, estableciendo así la escala de masa absoluta de los neutrinos.

Significación y Reivindicaciones
El artículo afirma que SIRMOS representa una oportunidad única para aplicar tecnologías probadas en la Tierra (DMDs, grandes arreglos de detectores) en el espacio para resolver preguntas cosmológicas fundamentales que los sondeos terrestres no pueden abordar debido a las limitaciones atmosféricas.

• Impacto Científico: Reivindica ser el primer sondeo capaz de mapear el Universo de alto desplazamiento al rojo ($1 < z < 4$) con la densidad y precisión espectroscópica necesarias para reconstruir la evolución cósmica durante la transición de la dominación de la materia a la dominación de la energía oscura.
• Alineación Estratégica: La misión se presenta como una alineación estratégica de los objetivos de la Agencia Espacial del Reino Unido y el STFC, con el fin de demostrar la capacidad del Reino Unido en misiones espaciales de extremo a extremo y fortalecer la economía espacial nacional mediante la participación industrial de alto valor.
• Sinergia: Más allá de sus objetivos cosmológicos primarios, el artículo señala el potencial de la misión para contribuir a la comprensión de la evolución de las galaxias en entornos de alto desplazamiento al rojo y para sondear las regiones de la Vía Láctea envueltas en polvo, ofreciendo sinergias con las capacidades de NIR terrestres lideradas por el Reino Unido, como MOONS.