Els primers resultats del DESI proporcionen la mesura més precisa de l’expansió de l’univers

Amb 5.000 petits robots instal·lats en un telescopi, des del cim d’una muntanya a Arizona (Estats Units), els científics són capaços d’observar 11.000 milions d’anys en el passat. La llum d’objectes extremament llunyans està arribant ara a l’Instrument Espectroscòpic de l’Energia Fosca (DESI, per Dark Energy Spectroscopic Instrument), un projecte liderat pel Laboratori Nacional Lawrence Berkeley (LBL). Això ens permet cartografiar l’univers jove i caracteritzar-ne el creixement fins que l’observem als nostres dies. Entendre com ha evolucionat l’univers està directament relacionat amb com acabarà, i amb un dels misteris més gran de la física: l’energia fosca, el component misteriós que provoca que l’univers s’expandeixi cada vegada amb més rapidesa.

Per estudiar els efectes de l’energia fosca els últims 11.000 milions d’anys, DESI ha creat el mapa tridimensional més gran del cosmos que mai s’ha construït, amb les mesures més precises fins ara. És la primera vegada que els científica mesuren la història de l’expansió de l’univers jove amb una precisió millor que l’1 %, i això proporciona la millor descripció que hi ha de la seva evolució Les anàlisis del primer any de dades s’han publicat en una sèrie d’articles científics que es publicaran al repositori arXiv i en diverses ponències en la trobada de la American Physical Society (Estats Units) i en els Rencontres de Moriond (Itàlia). Aquests són els primers resultats de quarta generació sobre l’energia fosca.

«De moment, sembla que els primers resultats de DESI estan d’acord amb les prediccions del model actual», diu Hui Kong, investigadora postdoctoral a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) i autora principal d’un dels articles presentats. «Hi ha alguns indicis que apunten a petites variacions temporals en la densitat d’energia fosca, però necessitarem més dades per confirmar-ho», afegeix l’experta.

El model teòric de referència per a l’univers es coneix com a Lambda CDM, i inclou tant un tipus de matèria que interacciona molt poc (la matèria fosca freda o CDM, per les sigles en anglès, Cold Dark Matter) com energia fosca (Lambda). La matèria i l’energia fosca condicionen l’expansió de l’univers de maneres oposades. Tant la matèria normal com la fosca alenteixen l’expansió, mentre que l’energia fosca l’accelera. Per tant, la quantitat de cada una d’aquestes determina l’evolució de l’univers. Aquest model teòric és una bona explicació dels resultats obtinguts en experiments previs i de l’evolució temporal de l’univers.

No obstant això, quan les dades del primer any de DESI es combinen amb altres estudis, hi ha algunes diferències subtils pel que fa a les prediccions de Lambda CDM. A mesura que DESI vagi acumulant més informació durant els propers anys, aquests primers resultats seran més precisos, i definiran si les dades indiquen que és necessari canviar de model teòric o si hi ha altres explicacions per a les mesures obtingudes. A més, hi ha més dades que impliquen una millora d’altres resultats inicials de DESI, que tenen a veure amb la constant de Hubble (una mesura de la velocitat a la qual s’expandeix l’univers avui dia) i amb la massa de les partícules elementals anomenades neutrins.

«DESI, fins i tot amb les dades del seu primer any de funcionament, ja és el cartografiat espectroscòpic que ha registrat més dades de la història, i continua augmentant aquesta quantitat a raó d’un milió de galàxies cada mes», diu Eusebio Sánchez, investigador del Centre d’Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT). «Aquest extraordinari conjunt de dates ens permet mesurar la història de l’expansió de l’univers amb una precisió sense precedents. Estem convençuts que DESI augmentarà el nostre coneixement de l’univers i potser ens permeti fer descobriments revolucionaris».

La precisió general de DESI en la mesura de la velocitat d’expansió a través d’11.000 milions d’anys és d’un 0,5 %, i en l’època més distant, que abasta entre 8.000 i 11.000 milions d’anys, és d’un 0,82 %. Aquesta mesura de l’univers jove és molt difícil de dur a terme. En només un any, DESI s’ha mostrat dues vegades més poderós en la mesura de la velocitat d’expansió que el seu predecessor (BOSS/eBOSS, de l’Sloan Digital Sky Survey), que va registrar dades durant més d’una dècada.

Viatjant enrere en el temps

DESI és una col·laboració internacional de més de 900 científics de setanta institucions d’arreu del món. L’instrument amb el qual s’observa es va construir i s’opera amb finançament de l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia estatunidenc (DOE, Department of Energy), i està instal·lat en el telescòpic Nicholas U. Mayall de quatre metres, situat al Kitt Peak National Observatory, un programa de NOIRLab, de la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units (NSF).

El mapa de DESI mostra l’estructura subjacent de l’univers: galàxies acumulades en filaments, separats per buits amb menys objectes. L’univers primerenc era, però, molt diferent: una sopa densa i calenta de partícules subatòmiques movent-se tan ràpid que encara no es podia formar matèria estable com els àtoms que avui coneixem. Entre aquestes partícules hi havia nuclis d’hidrogen i d’heli, anomenats col·lectivament barions.

Unes fluctuacions diminutes en aquest plasma van provocar ones de pressió, i això va fer que els barions es desplacessin amb un patró d’oscil·lacions semblant al que veuríem si llancéssim un grapat de graveta en un estany. A mesura que l’univers es va expandir i es va refredar, es van formar els àtoms i les ones de pressió es van aturar, i això va provocar que aquestes ondulacions en tres dimensions en forma de bombolla es congelessin. Això va plantar la llavor de les futures galàxies a les zones més denses. Milers de milions d’anys després, encara podem observar un senyal molt feble d’aquestes bombolles com una separació característica entre galàxies, una propietat anomenada oscil·lacions acústiques dels barions (BAO, per Baryon Acoustic Oscillations).

Els investigador fan servir les mesures de l’escala BAO com una regla còsmica: mesuren la mida aparent de les bombolles per determinar la distància a la matèria responsable d’aquest patró al cel. Els investigadors cartografien les bombolles BAO —les més properes i les més llunyanes— per dividir les dades en capes, mesurant la velocitat d’expansió en cada moment del passat i modelant l’efecte de l’energia fosca en l’expansió.

«DESI ja és més precís que tots els cartografiats de BAO anteriors en tota la història còsmica», diu Violeta González Pérez, investigador del Departament de Física Teòrica de la Universitat Autònoma de Madrid. «Les seves dades permeten estudiar misteris còsmics que estan més enllà de la nostra comprensió actual de l’univers».

Fes servir les galàxies per mesurar la velocitat d’expansió és una de les tècniques per entendre millor l’energia fosca, però té un abast limitat. A partir d’una certa distància, la llum de les galàxies habituals és massa feble, i aleshores els científics estudien els quàsars, nuclis galàctics extremament brillants amb forats negres en el centre. La llum dels quàsars s’absorbeix quan passa a través dels núvols de gas intergalàctics. Això permet cartografiar les acumulacions denses de matèria i usar-les de la mateixa manera que es fan servir les galàxies, una tècnica coneguda com el bosc de Lyman-alfa.

«Bàsicament, utilitzem els quàsars coma fonts de llum llunyanes per observar l’ombra de la matèria que hi ha entre ells i nosaltres», explica Andreu Font-Ribera, investigador de l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) a Barcelona. «Això ens permet observar a distàncies inassolibles amb altres mètodes, quan l’univers era molt jove. És una mesura extremament difícil, i és ben reconfortant veure que ha tingut èxit, apunta l’expert, que colidera l’anàlisi del bosc de Lyaman-alfa.

Els científics han utilitzat 450.00 quàsars, el conjunt més gran mai recopilat per mesurar el bosc de Lyman-alfa, i han ampliat les mesures de l’escala BAO fins als 11.000 milions d’anys en el passat. L’objectiu de DESI és haver cartografiat tres milions de quàsars i 37 milions de galàxies quan el projecte acabi.

Ciència d’avantguarda

DESI és el primer experiment espectroscòpic que ha fet una anàlisi cega completa, que oculta el resultat real als científics per evitar qualsevol biaix de confirmació subjectiu. Els investigadors treballen amb dades emmascarades, i desenvolupen tot el procés d’anàlisi sense conèixer les dades originals per obtenir la resposta final. Una vegada acabat, s’aplica l’anàlisi a les dades originals per obtenir la resposta final.

«El fet que l’anàlisi s’hagi desenvolupat amb les dades emmascarades ens aporta un grau extra de confiança en els resultats obtinguts», comenten Héctor Gil-Marín i Lícia Verde, investigadors de la Facultat de Física i de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB).  Les anàlisis cegues ja són una pràctica estàndard en camps com la física experimental de partícules o els estudis clínics. Gil-Marín i altres investigadors de l’ICCUB han desenvolupat i implementat el que ha constituït una manera molt robusta i difícil de desxifrar, per tal d’ocultar els resultats de l’agrupació de galàxies a DESI fins que es completi l’anàlisi. «Estem segurs que l’esforç extra que això va implicar millorarà la confiança i la integritat en els resultats de DESI», comenta Gil-Marín, que és membre també de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). 

Les dades de DESI es faran servir com a complement de futurs cartografiats del cel, com l’Observatori Vera C. Rubin i el telescopi espacial Nancy Roman, i per preparar una millora potencial de DESI (DESI-II) que ha estat recomanada en un informe recent pel Particle Physics Project Prioritization Panel dels Estats Units.

«És emocionant veure com els resultats de DESI ens ofereixen una visió precisa de com és l’univers», comenta Francisco Javier Castander, investigador de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). «A més, això només és el principi, amb les noves dades que estem obtenint les nostres mesures encara seran més precises».

La col·laboració Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI està finançat per les institucions següents: l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia dels Estats Units i el Centre de Computació científica en energia (National Energy Research Scientific Computing Center); la Fundació Nacional de Ciència (NSF, Estats Units); la Divisió de Ciències Astronòmiques (AST)D sota contracte amb l’Observatori Nacional d’Astronomia Òptica de la NSF; el Science and Technologies Facilities Council (Regne Unit); la Fundació Gordon and Betty Moore (Estats Units); la Fundació Heising-Simons (Estats Units); la French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA, França); el Consell Nacional de Ciència i Tecnologia de Mèxic; el Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats d’Espanya i les institucions membres de DESI.

La col·laboració DESI agraeix que li permetin dur a terme recerques astronòmiques en el Du’ag (Kitt Peak, Arizona), una muntanya amb significat especial per a la reserva india de la Nació Tohono O’odham.

Participen en DESI el Centre d’Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT), l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), l’Institut de Física Teòrica (UFT-UAM/CSIC), l’Institut d’Astrofísica d’Andalusia (IAA) i l’Institut d’Astrofísica de Canàries (IAC).

La llista completa d’institucions participants i més informació sobre DESI es pot trobar a: https://www.desi.lbl.gov.