De todos los misterios que ofrece el universo, el de la velocidad con la que se acelera su expansión es el más intrigante para los astrofísicos, porque no hay suficiente materia para explicarlo. Con el objetivo de afrontar este intrigante asunto, que llevó a postular la existencia de la materia y la energía oscuras, el Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL) puso en marcha hace un año el Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés), con el que pretenden estudiar los efectos de la energía oscura sobre las galaxias y otros cuerpos celestes en los últimos 11.000 millones de años.
Con los datos obtenidos el primer año por una colaboración internacional de más de 900 científicos de 70 instituciones de todo el mundo, DESI ha creado ya el mapa en 3D del cosmos más grande jamás construido hasta ahora, con las medidas más precisas obtenidas nunca. Los datos se han hecho públicos este jueves en un grupo de artículos científicos disponibles en el repositorio arXiv y en diferentes congresos. Y es la primera vez, recalcan los investigadores, 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.
El instrumento consiste en una cúmulo de 5.000 pequeños robots instalados en un telescopio desde la cima de una montaña en Arizona (EE.UU.) que han escaneado el cosmos con una precisión asombrosa. Al capturar la luz de objetos extremadamente lejanos , el instrumento está cartografiando el universo cuando estaba en su juventud y caracterizando su crecimiento hasta lo que observamos hoy en día. Entender cómo este ha evolucionado 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.
Sutiles diferencias
“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 presentados hoy, en una nota del CSIC. “Hay algunos indicios que apuntan a pequeñas variaciones temporales en la densidad de energía oscura, pero necesitaremos más datos para confirmarlo”.
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 universo.
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. Conforme DESI vaya acumulando más información durante los próximos años, estos primeros resultados se harán más precisos, aclarando si los datos apuntan a que es necesario cambiar el modelo teórico o hay otras explicaciones para las mediciones obtenidas.
Con los datos de su primer año de funcionamiento, ya es el cartografiado espectroscópico que ha tomado más datos de la historia
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. La precisión general de DESI en la medida de la velocidad de expansión a lo largo de 11.000 millones de años es de un 0,5% y en la época más distante, que cubre entre 8.000 y 11.000 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.
“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. Estamos seguros de que DESI aumentará nuestro conocimiento del universo y quizá nos permita hacer descubrimientos revolucionarios”.
Cuásares en la oscuridad
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. 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 en el IFAE en Barcelona, que colidera el análisis del bosque Lyman-alfa. “Esto nos permite observar a distancias inalcanzables con otros métodos, cuando el universo era muy joven. Es una medida extremadamente difícil, y es muy reconfortante ver que ha tenido éxito”.
Los científicos han utilizado 450.000 cuásares, el conjunto más grande jamás recopilado para medir el bosque Lyman-alfa, extendiendo las medidas de la escala BAO hasta los 11.000 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.
Ciencia de vanguardia
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. El personal investigador trabaja 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 del ICCUB han desarrollado e implementado 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.