Un instrumento para investigar la energía oscura da la medida más precisa de la expansión del universo

Desde la cima de una montaña en Arizona (EE UU), la comunidad científica es capaz de observar 11000 millones de años atrás en nuestro universo gracias a los 5000 pequeños posicionadores robóticos del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés: Dark Energy Spectroscopic Instrument) instalado en un telescopio.

La luz de objetos extremadamente lejanos está llegando ahora a DESI, una colaboración internacional liderada por el Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL), que permite cartografiar el universo cuando estaba en su juventud y caracterizar su crecimiento hasta lo que observamos hoy en día.

En este proyecto participan más de 900 científicos de 70 instituciones de todo el mundo, algunas españolas. El instrumento con el que observa se opera con financiación de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía estadounidense y está instalado en el telescopio Nicholas U. Mayall del Observatorio Nacional Kitt Peak, un programa, a su vez, del NOIRLab de la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos.

El Instrumento DESI está situado sobre el telescopio Mayall del Observatorio Nacional de Kitt Peak en Arizona (EE UU). / Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Entender cómo ha evolucionado el cosmos está directamente relacionado con cómo terminará, y con uno de los mayores misterios de la física: la energía oscura, el misterioso componente que causa que el universo se expanda cada vez más rápido.

Para estudiar los efectos de esta energía oscura en los últimos 11000 millones de años, DESI ha creado el mapa en 3D del cosmos más grande jamás construido, con las medidas más precisas hasta la fecha.

DESI ha creado el mapa en 3D del universo más grande jamás construido, con las medidas más precisas hasta la fecha

Es la primera vez que los científicos miden la historia de la expansión del universo joven con una precisión mejor que el 1 %, lo que proporciona la mejor descripción existente de su evolución.

Los análisis del primer año de datos se han hecho públicos en un grupo de artículos científicos que aparecerán hoy en el repositorio arXiv y en diversas ponencias en la reunión de la American Physical Society en EE UU y en los Rencontres de Moriond  en Italia. Estos son los primeros resultados de cuarta generación acerca de la energía oscura.

“De momento parece que los primeros resultados de DESI están de acuerdo con las predicciones del modelo actual”, dice Hui Kong, investigadora postdoctoral en el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y autora principal de uno de los artículos, “y hay algunos indicios que apuntan a pequeñas variaciones temporales en la densidad de energía oscura, pero necesitaremos más datos para confirmarlo”.

Algunos indicios apuntan a pequeñas variaciones temporales en la densidad de energía oscura, pero necesitaremos más datos para confirmarlo

Hui Kong (IFAE)

El modelo Lambda CDM y discrepancias

El modelo teórico de referencia para el universo se conoce como Lambda CDM. Incluye tanto un tipo de materia que interacciona muy poco (la materia oscura fría o CDM por sus siglas en inglés, Cold Dark Matter) como energía oscura (Lambda).

La materia y la energía oscura condicionan la expansión del universo, pero de maneras opuestas. Tanto la materia normal como la oscura ralentizan la expansión mientras que la energía oscura la acelera. Por tanto, la cantidad que haya de cada una de ellas determina la evolución del universo.

Este modelo teórico es una buena explicación de los resultados obtenidos por experimentos anteriores y de la evolución temporal del cosmos. Sin embargo, cuando los datos del primer año de DESI se combinan con otros estudios, hay algunas sutiles diferencias con respecto a las predicciones de Lambda CDM.

Según los resultados de DESI sean más precisos, se aclarará si los datos apuntan a que hay que cambiar el modelo teórico o existen otras explicaciones para las medidas obtenidas

Según DESI vaya acumulando más información durante los próximos años, estos primeros resultados se harán todavía más precisos, aclarando si los datos apuntan a que es necesario cambiar el modelo teórico o hay otras explicaciones para las mediciones obtenidas.

Más datos implican también una mejora de otros resultados iniciales de DESI, que se refieren a la constante de Hubble (una medida de la velocidad a la que se expande el universo hoy en día) y a la masa de las partículas elementales llamadas neutrinos.

Cartografiar un millón de galaxias al mes

“DESI, incluso con los datos de su primer año de funcionamiento, ya es el cartografiado espectroscópico que ha tomado más datos de la historia y continúa aumentando esta cantidad a razón de un millón de galaxias cada mes”, dice Eusebio Sánchez, investigador del CIEMAT.

“Este extraordinario conjunto de datos hace que podamos medir la historia de la expansión del universo con una precisión sin precedentes –subraya–. Estamos seguros de que DESI aumentará nuestro conocimiento del universo y quizá nos permita hacer descubrimientos revolucionarios”.

La precisión general de DESI en la medida de la velocidad de expansión a lo largo de 11000 millones de años es de un 0,5 % y en la época más distante, que cubre entre 8000 y 11000 millones de años, es de un 0,82 %.

La precisión de DESI en la medida de la velocidad de expansión a lo largo de 11000 millones de años es de un 0,5 % y en la época más distante, entre 8000 y 11000 millones de años, es de un 0,82 %

Esta medida del universo joven es muy difícil de llevar a cabo. Y tan solo en un año, DESI se ha mostrado dos veces más poderoso en la medida de la velocidad de expansión que su predecesor (BOSS/eBOSS del Sloan Digital Sky Survey), que tomó datos durante más de una década.

Mirando al mapa de DESI es fácil apreciar la estructura subyacente del universo: galaxias acumuladas en filamentos, separados por vacíos con menos objetos. El universo temprano era, sin embargo, muy diferente: una sopa densa y caliente de partículas subatómicas moviéndose tan rápido que todavía no se podía formar materia estable como los átomos que hoy conocemos. Entre esas partículas había núcleos de hidrógeno y de helio, colectivamente denominados bariones.

Burbujas y oscilaciones de bariones

Fluctuaciones diminutas en este plasma inicial provocaron ondas de presión, haciendo que los bariones se moviesen con un patrón de oscilaciones que es similar a lo que se vería al arrojar un puñado de gravilla en un estanque. Según el universo se fue expandiendo y enfriando, se formaron los átomos y las ondas de presión se detuvieron, congelando estas ondulaciones en tres dimensiones en forma de burbujas, y poniendo la semilla de las futuras galaxias en las zonas más densas.

Miles de millones de años después, todavía podemos observar una señal muy débil de estas burbujas como una separación característica entre galaxias, una propiedad denominada oscilaciones acústicas de los bariones (BAO, por Baryon Acoustic Oscillations).

Diagrama de Hubble de DESI con las oscilaciones acústicas de bariones, o «burbujas» BAO, en diferentes edades del universo. La cantidad de energía oscura determina la velocidad de crecimiento del universo y, por lo tanto, el tamaño de las burbujas. Abajo, explicación (en inglés) simplificada. / Arnaud de Mattia/ Claire Lamman/ Colaboración DESI

Los investigadores utilizan las medidas de la escala BAO como una regla cósmica. Midiendo el tamaño aparente de las burbujas, son capaces de determinar la distancia a la materia responsable de este debilísimo patrón en el cielo.

Cartografiando las burbujas BAO, las más cercanas y más lejanas, los investigadores pueden dividir los datos en capas, midiendo la velocidad de expansión en cada momento del pasado y modelando el efecto de la energía oscura en la expansión.

“DESI ya es más preciso que todos los cartografiados de BAO anteriores en toda la historia cósmica”, dice Violeta González Pérez, investigadora del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, “y sus datos nos permiten estudiar misterios cósmicos que están más allá de nuestra comprensión actual del universo”.

Utilizar las galaxias para medir la velocidad de expansión es una de las técnicas para entender mejor la energía oscura, pero tiene un alcance limitado. A partir de cierta distancia, la luz de las galaxias habituales se hace demasiado débil, y los científicos empiezan a estudiar cuásares, núcleos galácticos extremadamente brillantes que albergan agujeros negros en sus centros.

El bosque Lyman-alfa

La luz de los cuásares se absorbe cuando pasa a través de las nubes de gas intergalácticas, permitiendo a los científicos cartografiar las acumulaciones densas de materia y utilizarlas de la misma manera que se utilizan las galaxias, una técnica conocida como “el bosque Lyman-alfa”.

“Básicamente, utilizamos los cuásares como fuentes de luz lejanas para ver la sombra de la materia que hay entre ellos y nosotros”, dice Andreu Font-Ribera, investigador del IFAE que colidera el análisis de este peculiar ‘bosque’. “Esto nos permite observar a distancias inalcanzables con otros métodos, cuando el universo era muy joven –añade–. Es una medida extremadamente difícil, y es muy reconfortante ver que ha tenido éxito”.

Representación artística de la luz de los cuásares pasando a través de nubes intergalácticas de gas de hidrógeno. A medida que la luz de un cuásar distante atraviesa el gas, se absorben ciertas longitudes de onda, y al trazar las líneas de absorción se revela el «bosque Lyman-alpha» (destacado abajo en marrón y verde) y se obtiene información sobre las nubes de gas entre nosotros y el cuásar. / NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld y Colaboración DESI

Los científicos han utilizado 450000 cuásares, el conjunto más grande jamás recopilado para medir el bosque Lyman-alfa, extendiendo las medidas de la escala BAO hasta los 11000 millones de años en el pasado. El objetivo de DESI es haber cartografiado 3 millones de cuásares y 37 millones de galaxias cuando el proyecto finalice.

“La expansión del universo no es constante, y para entender mejor la energía oscura es importante medir esa expansión en distintos momentos de la historia del universo, y esto es lo que hemos hecho con DESI”, explica Font-Ribera: “Tenemos siete medidas de la escala de BAO a diferentes redshifts o desplazamientos hacia el rojo (los distintos momentos en la historia del universo) que nos permiten estudiar el cambio en la expansión de manera más precisa”.

La expansión del universo no es constante, y para entender mejor la energía oscura es importante medir esa expansión en distintos momentos de la historia del universo, y esto es lo que hemos hecho con DESI

Andreu Font-Ribera (IFAE)

Pero el cosmólogo aclara: “DESI no mide de manera directa la expansión justo ahora mismo, conocida como la constante de Hubble (H ) y con valor cercano a 70 (km/s)/Megaparsecs. Lo que podemos hacer al respecto es combinar nuestros datos con otros anteriores para poner límites a H0 dentro del marco teórico Lambda CDM, y esto nos da una medida de unos 68 (km/s)/Mpc”.

Un análisis ciego completo

DESI es el primer experimento espectroscópico que ha realizado un “análisis ciego” completo, que oculta el resultado verdadero a los científicos para evitar cualquier sesgo de confirmación subjetivo. Los investigadores trabajan con datos enmascarados, y desarrollan todo el proceso de análisis sin conocer la información verdadera. Una vez todo está finalizado, se aplica el análisis a los datos originales para obtener la respuesta final.

“El hecho de que el análisis se haya desarrollado con la técnica de enmascarar los datos nos aporta un grado extra de confianza en los resultados obtenidos”, comenta Héctor Gil Marín, investigador del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB).

Los análisis ciegos ya son una práctica estándar en campos como la física experimental de partículas o los estudios clínicos. Gil Marín y otros investigadores de su instituto han desarrollado lo que resultó ser una forma muy robusta y difícil de descifrar, para ocultar los resultados de la agrupación de galaxias en DESI hasta que se complete el análisis.

“Estamos seguros de que el esfuerzo extra que esto implicó mejorará la confianza y la integridad en los resultados de DESI”, destaca Gil Marín.

Los datos de este instrumento se usarán además como complemento de futuros cartografiados del cielo como los del Observatorio Vera C. Rubin (donde se va a instalar la cámara más grande en la historia de la astronomía) y el telescopio espacial Nancy Roman, y para preparar una mejora potencial de DESI (DESI-II) que ha sido recomendada en un informe reciente por el Particle Physics Project Prioritization Panel de los EE UU.

“Es emocionante ver cómo los resultados de DESI nos dan una visión precisa de cómo es el universo” comenta Francisco Javier Castander, investigador del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), que adelanta: “Esto solo es el principio, con los nuevos datos que estamos obteniendo nuestras medidas serán aún más precisas”.

Composición artística de los datos del primer año de trabajo de DESI proyectándose sobre el telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall. / NOIRLab