Los primeros resultados de DESI proporcionan la medida más precisa de la expansión del universo

Con 5.000 pequeños robots instalados en un telescopio, desde la cima de una montaña en Arizona (Estados Unidos), los científicos son capaces de observar 11.000 millones de años en el pasado. La luz de objetos extremadamente lejanos está llegando ahora al Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por Dark Energy Spectroscopic Instrument), un proyecto liderado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBL). Esto nos permite cartografiar el universo  joven y caracterizar su crecimiento hasta lo que observamos hoy en día. Entender cómo  ha evolucionado el universo 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 la energía oscura en los últimos 11.000 millones de años, DESI ha creado el mayor mapa tridimensional del cosmos 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 publicado en una serie de artículos científicos que se publicarán en el repositorio arXiv y en diversas ponencias en la reunión de la American Physical Society (Estados Unidos) y en los Rencontres de Moriond (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 Instituto de Física deAltas Energías (IFAE) y autora principal de uno de los artículos presentados. «Hay algunos indicios que apuntan a pequeñas variaciones temporales en la densidad de energía oscura, pero necesitaremos más datos para confirmarlo», añade la experta.

El modelo teórico de referencia para el universo se conoce como Lambda CDM, e 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 de maneras opuestas. Tanto la materia normal como la oscura ralentizan la expansión, mientras que la energía oscura la acelera. Por tanto, la cantidad de cada una de ellas determina la evolución del universo. Este modelo teórico es una buena explicación de los resultados obtenidos en experimentos previos y de la evolución temporal del universo.

Sin embargo, cuando los datos del primer año de DESI se combinan con otros estudios, hay algunas diferencias sutiles con respecto a las predicciones de Lambda CDM. A medida que DESI vaya acumulando más información durante los próximos años, estos primeros resultados serán más precisos, y definirán si los datos indican que es necesario cambiar el modelo teórico o si hay otras explicaciones para las mediciones obtenidas. Además, hay más datos que implican 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.

«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 Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). «Este extraordinario conjunto de datos nos permite 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».

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. En tan solo 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.

Viajando hacia atrás en el tiempo

DESI es una colaboración internacional de más de 900 científicos de setenta instituciones de todo el mundo. El instrumento con el que observa se construyó y se opera con financiación de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía estadounidense (DOE, Department of Energy), y está instalado en el telescopio Nicholas U. Mayall de cuatro metros, situado en el Kitt Peak National Observatory, un programa de NOIRLab, de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF).

El mapa de DESI muestra 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.

Unas fluctuaciones diminutas en este plasma inicial provocaron ondas de presión, haciendo que los bariones se moviesen con un patrón de oscilaciones similar a lo que se vería al arrojar un puñado de gravilla en un estanque. A medida que el universo se  expandió y se enfrió, se formaron los átomos y las ondas de presión se detuvieron, lo que provocó que estas ondulaciones en tres dimensiones en forma de burbujas se congelasen. Estopuso 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).

Los investigadores utilizan las medidas de la escala BAO como una regla cósmica: miden el tamaño aparente de las burbujas para determinar la distancia a la materia responsable de este patrón en el cielo. Los investigadores cartografian las burbujas BAO —las más cercanas y las más lejanas— para  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. «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 es demasiado débil, y entonces los científicos estudian los cuásares, núcleos galácticos extremadamente brillantes con agujeros negros en sus centros. La luz de los cuásares se absorbe cuando pasa a través de las nubes de gas intergalácticas. Esto permite cartografiar las acumulaciones densas de materia y utilizarlas de la misma manera que se utilizan las galaxias, una técnica conocida como el bosque de Lyman-alfa.

«Básicamente, utilizamos los cuásares como fuentes de luz lejanas para ver la sombra de la materia que hay entre ellos y nosotros», explica Andreu Font-Ribera, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en Barcelona. «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», apunta el experto, que colidera el análisis del bosque de Lyman-alfa.

Los científicos han utilizado 450.000 cuásares, el conjunto más grande jamás recopilado para medir el bosque de 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 tres 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. Los investigadores trabajan con datos enmascarados, y desarrollan todo el proceso de análisis sin conocer la información verdadera. Una vez 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 enmascaración de los datos nos aporta un grado extra de confianza en los resultados obtenidos», comentan Héctor Gil-Marín y Lícia Verde, investigadores de la Facultad de Física y 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, a fin de 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», comenta Gil-Marín, que es miembro también del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC).

Los datos de DESI se usarán como complemento de futuros cartografiados del cielo, como el Observatorio Vera C. Rubin 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 Estados Unidos.

«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 Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC). «Además, esto solo es el principio, con los nuevos datos que estamos obteniendo nuestras medidas serán aún más precisas».

La colaboración Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI está financiado por las siguientes instituciones: la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos y el Centro de computación científica en energía (National Energy Research Scientific Computing Center); la Fundación Nacional de Ciencia (NSF, Estados Unidos); la División de Ciencias Astronomicas (AST)D bajo contrato con el Observatorio Nacional de Astronomía Óptica de la NSF ; el Science and Technologies Facilities Council (Reino Unido); la Fundación Gordon and Betty Moore (Estados Unidos); la Fundación Heising-Simons (Estados Unidos); la French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA, Francia); el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México; el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España y las instituciones miembros de DESI.

La colaboración DESI agradece que se le permita llevar a cabo investigaciones astronómicas en el lolkam Du'ag (Kitt Peak, Arizona), una montaña con significado especial para la reserva india de la Nación Tohono O’odham.

Participan en DESI el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), el Instituto de Física Teórica (IFT - UAM/CSIC), el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

La lista completa de instituciones participantes y más información sobre DESI está disponible en: https://www.desi.lbl.gov.