Descubren indicios de comportamiento inusual de la energía oscura

¿Sabías que… la idea de que el Universo se está expandiendo surgió de múltiples observaciones realizadas por varios científicos que trabajaban de forma independiente a principios del siglo? El descubrimiento culminó con el revolucionario artículo de Edwin Hubble publicado en 1929.

Durante décadas, el modelo de la materia oscura fría lambda (ΛCDM) sirvió como base de la cosmología moderna. Este modelo describe un Universo compuesto por un 5% de materia ordinaria, un 25% de materia oscura y un 70% de energía oscura. Según el modelo ΛCDM, la energía oscura está representada por la constante cosmológica (Λ), lo que significa que su densidad de energía permanece inalterada a lo largo del tiempo.

Sin embargo, los nuevos hallazgos del Estudio del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés) (consulte los comunicados de prensa de NOIRLab y del Berkeley Lab) y del Estudio de Energía Oscura (DES, por sus siglas en inglés) (consulte los comunicados de prensa de NOIRLab y CIEMAT) desafían esta suposición, insinuando que la energía oscura posee una naturaleza variable en el tiempo.

Esta investigación representa un gran paso hacia la comprensión de la energía oscura

DESI es un experimento internacional en el que participan más de 900 investigadores de más de 70 instituciones de todo el mundo. DESI está gestionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos, con un financiamiento principal para su construcción y funcionamiento por parte de la Oficina de Ciencia del DOE. El instrumento está montado en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros de NSF en el Observatorio Nacional Kitt Peak, un Programa de NOIRLab de NSF. DESI, que comenzó su estudio en 2021, es un instrumento de última generación que puede capturar la luz de 5.000 galaxias al mismo tiempo. Al mapear con precisión millones de galaxias y cuásares, la colaboración DESI logró crear el mapa en 3D más grande de nuestro Universo.

El Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en el Observatorio Nacional Kitt Peak, un Programa de NOIRLab de NSF, que alberga el Instrumento Espectroscópico para el Estudio de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés).

Credit: Colaboración DESI/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/L. Tyas

El estudio DES es una colaboración internacional que incluye más de 400 científicos de más de 25 instituciones, dirigida por el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi del DOE. DES fue un estudio de imágenes que se realizó utilizando la Cámara de Energía Oscura (DECam, por sus siglas en inglés) de 570 megapíxeles fabricada por el DOE, y que se encuentra instalada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de NSF en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO, por sus siglas en inglés) en Chile, un Programa de NOIRLab de NSF. DES comenzó su estudio en 2013 y lo completó en 2019. Al tomar datos durante 758 noches, los científicos de DES mapearon un área de casi una octava parte de todo el cielo. Para estudiar la materia oscura, el proyecto emplea múltiples técnicas de observación, incluyendo mediciones de supernovas, análisis de agrupaciones de galaxias y lentes gravitacionales débiles.

Ambos estudios rastrean la influencia de la energía oscura mediante el estudio de la distribución de la materia en el Universo [1]. Los acontecimientos ocurridos en el Universo temprano dejaron patrones sutiles en la forma en que se distribuye la materia, una característica llamada Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO, por sus siglas en inglés). BAO se refiere a una medida de escala cósmica estándar formada por las ondas sonoras en el Universo temprano, con peaks que abarcan aproximadamente 500 millones de años luz. Los astrónomos pueden medir estos peaks a lo largo de varios períodos de la historia cósmica para ver cómo la energía oscura ha estirado la escala a lo largo del tiempo.

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El Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO, por sus siglas en inglés) en Chile, un Programa de NOIRLab de NSF. El telescopio Blanco alberga la Cámara de Energía Oscura (DECam, por sus siglas en inglés) de 570 megapíxeles, que fue fabricada por el Departamento de Energía que lleva a cabo el estudio DES.

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Utilizando los primeros tres años de observaciones del estudio DESI, que contienen las mediciones de distancia más precisas jamás logradas para casi 15 millones de galaxias y cuásares, la colaboración DESI calculó la escala BAO a lo largo de 11 mil millones de años de historia cósmica. La precisión que tiene DESI con este enfoque es la mejor del mundo.

Los investigadores del estudio DESI descubrieron que cuando los datos de BAO de DESI se combinan con otros datos cosmológicos, como las observaciones del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés) y el efecto de lente gravitacional débil, así como los datos de supernova de DES, apuntan a inconsistencias con el modelo estándar. Este análisis combinado sugiere que el impacto de la energía oscura puede estar debilitándose con el tiempo. Aunque la significación estadística de los resultados hasta la fecha aún no alcanza el “nivel de 5 sigma” (el estándar de oro en la física que representa el umbral comúnmente aceptado para un descubrimiento), los datos tienen una consistencia notoria al sugerir, de forma tentadora, que la energía oscura puede estar evolucionando con el tiempo. Estos resultados se presentan en múltiples artículos que se publicarán en el repositorio en línea arXiv.

“Estos son resultados notables de un proyecto increíblemente exitoso”, dice Chris Davis, Director del Programa NSF para NOIRLab de NSF. “La potente combinación del Telescopio Mayall de NSF y el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura del DOE muestra los beneficios de que las agencias federales trabajen juntas en ciencia fundamental que mejore nuestra comprensión del Universo”.

Dos mediciones clave del DES (supernovas de tipo Ia y la escala BAO [2]) proporcionan información complementaria. Las supernovas de tipo Ia sirven como “candelas estándar”, lo que permite calcular distancias con precisión. A principios de 2024, DES publicó el conjunto de datos de supernovas más extenso y detallado hasta la fecha, seguido de mediciones de la escala BAO en el Universo temprano. El nuevo análisis, que se presenta en un artículo científico publicado en arXiv, combina estos resultados anteriores con mediciones adicionales para confirmar las anomalías observadas en los datos de 2024 y sugiere que la energía oscura podría evolucionar con el tiempo.

Estamos presenciando lo que podrían ser los primeros indicios de un nuevo paradigma en la cosmología

En conjunto, la robusta muestra de supernovas en un amplio rango de distancias proporcionada por DES, más las mediciones más precisas jamás realizadas de la escala BAO logradas por DESI, están revelando conocimientos sin precedentes sobre la naturaleza de la energía oscura y la historia de expansión del Universo.

Los resultados de DESI y DES se presentaron en la cumbre American Physical Society's Global Physics Summit, (la mayor reunión anual de físicos) en sesiones separadas el 19 de marzo en Anaheim, California.

Este fragmento de los datos de DESI mapea objetos celestes desde la Tierra (al centro) hasta miles de millones de años luz de distancia. La estructura a gran escala del Universo es visible en la imagen insertada, que muestra la región de estudio más densa y representa menos del 0,1% del volumen total del estudio DESI.

Credit: Colaboración DESI/C. Lamman/DOE/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA

“Esta investigación representa un gran paso hacia la comprensión de la energía oscura”, dijo Harriet Kung, Directora interina de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía. “La precisión y profundidad de los hallazgos de DESI y DES no tienen precedentes, y estamos entusiasmados con las posibles repercusiones para la física fundamental. Esto es investigación de energía en su máxima expresión”, expresó.

Si la energía oscura está evolucionando, podría significar la existencia de un campo previamente desconocido o requerir modificaciones a la teoría de relatividad general de Einstein. Tal descubrimiento podría remodelar profundamente la física fundamental y nuestra comprensión del cosmos.

Sobre ese punto, el Director de NOIRLab, Patrick McCarthy precisó que “estamos presenciando lo que podrían ser los primeros indicios de un nuevo paradigma en la cosmología. A medida que ampliamos los límites de nuestro conocimiento, estudios como DESI y DES continúan desafiando nuestra comprensión del Universo, abriendo las puertas a nuevas y emocionantes posibilidades”.

El Observatorio Vera C. Rubin de NSF–DOE en Cerro Pachón, en el norte-centro de Chile.

Credit: RubinObs/NOIRLab/SLAC/NSF/DOE/AURA/B. Quint

Los futuros estudios cosmológicos a gran escala, como la próxima Investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la posteridad (LSST, por sus siglas en inglés) del Observatorio Vera C. Rubin de NSF-DOE, que comenzará a fines de 2025, proporcionarán una mayor comprensión de la naturaleza de la energía oscura. Además, se está planificando extender la misión DESI, denominada DESI-II. Juntos, los estudios DES, DESI, LSST y DESI-II representan una secuencia planificada de experimentos, cada uno de complejidad sucesiva, destinados a comprender la energía oscura y la física del Universo temprano.

Si bien la confirmación definitiva de una energía oscura en evolución requiere más datos, las pruebas siguen aumentando. Científicos de todo el mundo esperan con impaciencia la próxima generación de experimentos cosmológicos, ya que el Universo puede estar revelando una historia más profunda y compleja de lo que jamás imaginamos.

Notas

[1] DES es un experimento de energía oscura en suelo terrestre de Fase III (generación anterior, escala intermedia), mientras que DESI es el primer experimento de Fase IV (a más largo plazo, a mayor escala) que se pone en marcha, y presenta una precisión y sensibilidad mejoradas.

[2] Las mediciones de DES y BAO de DESI utilizan enfoques diferentes; DESI mide distancias muy precisas a galaxias basándose en sus espectros para luego mapear la estructura BAO 3D completa, mientras que DES utiliza estimaciones aproximadas de las distancias de las galaxias basándose en sus brillos a través de diferentes filtros de color.