Hallan nuevas pistas de cómo se produce la expansión del universo

Hace aproximadamente un siglo, los astrónomos observaron que las galaxias lejanas parecían alejarse de nosotros. De hecho, cuanto más distante es una galaxia, más rápido se aleja. Esto proporcionó la primera evidencia clave de que el universo se está expandiendo. Pero el mecanismo que lo rige sigue investigándose.

Eso es lo que hace la colaboración científica internacional Dark Energy Survey (DES) desde 2013. Ahora, publica resultados que por primera vez combinan seis años de datos estudiados de lentes gravitacionales y agrupaciones de galaxias, dos referencias que se utilizan como técnicas para medir la expansión del Universo.

En el artículo, que resume 18 trabajos científicos y aún está a la espera de la revisión por pares, también se presentan los primeros resultados obtenidos al combinar las cuatro medidas diferentes de la energía oscura —oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), supernovas de tipo Ia, cúmulos de galaxias y lentes gravitacionales débiles— tal como se propuso en la concepción inicial de DES hace 25 años.

El análisis ofrece nuevas medidas, más precisas, que reducen el abanico de modelos posibles sobre la evolución del universo. Estas medidas son más del doble de restrictivas que las obtenidas en análisis anteriores de DES y siguen siendo compatibles con los resultados previos.

Cómo medir la energía oscura

Como el universo está dominado por la gravedad —una fuerza que atrae la materia—, los astrónomos esperaban que la expansión del universo se ralentizara con el tiempo.

En 1998, dos equipos independientes de cosmólogos utilizaron supernovas distantes para descubrir que la expansión del universo se está acelerando en lugar de frenarse. Para explicar estas observaciones, propusieron un nuevo tipo de energía responsable de impulsar esta expansión acelerada: la energía oscura. Actualmente, los astrofísicos creen que la energía oscura constituye alrededor del 70 % de la densidad de masa-energía del universo. Aun así, sabemos muy poco sobre ella.

En los años siguientes, los científicos comenzaron a diseñar experimentos para estudiar la energía oscura, entre ellos el Dark Energy Survey. Hoy en día, DES es una colaboración internacional de más de 400 astrofísicos y científicos de 35 instituciones en siete países, liderada por el Laboratorio Nacional Fermi de Aceleradores del Departamento de Energía de Estados Unidos.

Para estudiar la energía oscura, la colaboración DES llevó a cabo un cartografiado profundo y de gran área del cielo entre 2013 y 2019. La colaboración DES construyó una cámara digital extremadamente sensible de 570 megapíxeles, DECam, y la instaló en el telescopio Blanco de 4 metros del Observatorio Interamericano Cerro Tololo de la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos, en los Andes chilenos.

Durante 758 noches a lo largo de seis años, la colaboración DES registró información de 669 millones de galaxias situadas a miles de millones de años luz de la Tierra, cubriendo una octava parte del cielo. Las instituciones españolas forman parte del proyecto desde su inicio y, además de haber colaborado de manera destacada en el diseño, fabricación, pruebas e instalación de DECam y en la toma de datos, hoy en día tienen importantes responsabilidades en la explotación científica de los datos.

“A partir de nuestras imágenes, podemos medir las formas de las galaxias y las sutiles distorsiones causadas por la gravedad, así como sus posiciones y la manera en que se agrupan en el cielo. Sin embargo, para interpretar estas mediciones también necesitamos saber a qué distancia se encuentran las galaxias. En la práctica, inferimos esas distancias a partir de sus colores, medidos mediante observaciones con distintos filtros”, explica William d’Assignies Doumerg, estudiante de doctorado en el IFAE y miembro del equipo de calibración de distancias del Dark Energy Survey.

“En este análisis llevamos la calibración de distancias a un nivel de precisión sin precedentes, que nos permite conectar con confianza la distribución observada de las galaxias con la física subyacente de la energía oscura”, afirmó Giulia Giannini, colíder del Grupo de Trabajo de Redshifts de DES e investigadora del ICE-CSIC en Barcelona.

6 000 millones de años de historia 

Para obtener estos nuevos resultados, los científicos de DES ampliaron métodos que ellos mismos desarrollaron utilizando lentes gravitacionales débiles para reconstruir de forma robusta la distribución de la materia en el universo. Lo han hecho analizando tanto la probabilidad de que dos galaxias se encuentren a una determinada distancia entre sí como la de que presenten distorsiones similares causadas por las lentes gravitacionales débiles.

Al reconstruir la distribución de la materia a lo largo de 6 000 millones de años de historia cósmica, estas mediciones permiten determinar cuánta materia oscura y energía oscura hay en cada momento.

“La medida final de lentes gravitacionales de DES incluye alrededor de 150 millones de galaxias, un conjunto de datos de dimensiones extraordinarias. Esto resulta muy estimulante, pero también implica una gran responsabilidad: asegurarnos de que cada etapa del análisis sea plenamente robusta”, afirma Simon Samuroff, investigador postdoctoral en el IFAE, que ha coliderado el análisis cosmológico de las distorsiones de las galaxias.

En este análisis, DES comparó sus datos con dos modelos cosmológicos: el modelo estándar ΛCDM, con densidad de energía oscura constante, y un modelo extendido, wCDM, en el que esta densidad evoluciona con el tiempo.

DES observó que sus datos concuerdan mayoritariamente con el modelo estándar de la cosmología. Los datos también se ajustan al modelo de energía oscura en evolución, pero no mejor que al modelo estándar.

Sin embargo, un elemento común a ambos modelos presenta una discrepancia llamativa. En análisis anteriores, el parámetro que describe cómo se agrupa la materia en el universo mostraba un valor distinto del predicho por ambos modelos a partir del agrupamiento observado en el universo temprano. En este nuevo análisis, al incorporar los datos más recientes, esa diferencia se amplió. La discrepancia persiste incluso cuando DES combina sus datos con los de otros experimentos.

Investigar modelos alternativos

A continuación, DES combinará este trabajo con las medidas más recientes procedentes de otros experimentos de energía oscura para investigar modelos alternativos de gravedad y energía oscura. Este análisis también es importante porque allana el camino para que el nuevo Observatorio Vera C. Rubin, financiado por la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos y la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, realice estudios similares con su Legacy Survey of Space and Time (LSST).

“Las mediciones serán cada vez más precisas en tan solo unos pocos años”, afirmó Anna Porredon, colíder del grupo de trabajo de Estructura a Gran Escala de DES y científica sénior del CIEMAT en Madrid. “Hemos dado un paso significativo en precisión, pero todas estas mediciones mejorarán mucho más con nuevas observaciones del Observatorio Rubin y otros telescopios. Es emocionante pensar que probablemente tendremos algunas respuestas definitivas sobre la energía oscura en los próximos 10 años”.

El Dark Energy Survey (DES) es una colaboración internacional de más de 400 científicos de 25 instituciones en siete países, liderada por el Laboratorio Nacional Fermi de Aceleradores (Fermilab), el principal laboratorio nacional de Estados Unidos dedicado a la física de partículas y la investigación en aceleradores. El Fermi Forward Discovery Group gestiona Fermilab para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos.

España fue el primer socio internacional en unirse a Estados Unidos para fundar el proyecto DES en 2015. La participación española se articula a través de tres instituciones: dos en Barcelona —el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE)— y una en Madrid —el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)—, además de investigadores del Instituto de Física Teórica (IFT/CSIC-UAM).

Fuente: CIEMAT