Desde a cima dunha montaña en Arizona (Estados Unidos), a comunidade científica é capaz de observar 11.000 millóns de anos atrás no noso universo grazas aos 5.000 pequenos posicionadores robóticos do Instrumento Espectroscópico da Enerxía Escura (DESI, polas súas siglas en inglés: Dark Energy Spectroscopic Instrument) instalado nun telescopio.

A luz de obxectos extremadamente afastados está a chegar agora a DESI, unha colaboración internacional liderada polo Lawrence Berkeley National Laboratory (LBL), que permite cartografar o universo cando estaba na súa mocidade e caracterizar o seu crecemento ata o que observamos hoxe en día.

Publicidade

Neste proxecto participan máis de 900 científicos de 70 institucións de todo o mundo, algunhas españolas. O instrumento co que observa opérase con financiamento da Oficina de Ciencia do Departamento de Enerxía estadounidense e está instalado no telescopio Nicholas U. Mayall do Observatorio Nacional Kitt Peak, un programa, á súa vez, do NOIRLab da National Science Foundation (NSF).

Entender como evolucionou o cosmos está directamente relacionado con como rematará, e cun dos maiores misterios da física: a enerxía escura, o misterioso compoñente que causa que o universo se expanda cada vez máis rápido.

Para estudar os efectos desta enerxía escura nos últimos 11.000 millóns de anos, DESI creou o mapa en 3D do cosmos máis grande xamais construído, coas medidas máis precisas ata a data.

É a primeira vez que os científicos miden a historia da expansión do universo novo cunha precisión mellor que o 1%, o que proporciona a mellor descrición existente da súa evolución.

As análises do primeiro ano de datos fixéronse públicas nun grupo de artigos científicos no repositorio arXiv e en diversos relatorios na reunión da American Physical Society en Estados Unidos e nos Rencontres de Moriond en Italia. Estes son os primeiros resultados de cuarta xeración sobre a enerxía escura.

“De momento parece que os primeiros resultados de DESI están de acordo coas predicións do modelo actual”, di Hui Kong, investigadora posdoutoral no Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) e autora principal dun dos artigos, “e hai algúns indicios que apuntan a pequenas variacións temporais na densidade de enerxía escura, pero necesitaremos máis datos para confirmalo”.

O modelo Lambda CDM

O modelo teórico de referencia para o universo coñécese como Lambda CDM. Inclúe tanto un tipo de materia que interacciona moi pouco (a materia escura fría ou CDM polas súas siglas en inglés, Cold Dark Matter) como enerxía escura (Lambda).

A materia e a enerxía escura condicionan a expansión do universo, pero de maneiras opostas. Tanto a materia normal como a escura retardan a expansión mentres que a enerxía escura a acelera. Por tanto, a cantidade que haxa de cada unha delas determina a evolución do universo.

Este modelo teórico é unha boa explicación dos resultados obtidos por experimentos anteriores e da evolución temporal do cosmos. Con todo, cando os datos do primeiro ano de DESI se combinan con outros estudos, hai algunhas sutís diferenzas con respecto ás predicións de Lambda CDM.

Segundo DESI vaia acumulando máis información durante os próximos anos, estes primeiros resultados faranse aínda máis precisos, aclarando se os datos apuntan a que é necesario cambiar o modelo teórico ou hai outras explicacións para as medicións obtidas. Más datos implican tamén unha mellora doutros resultados iniciais de DESI, que se refiren á constante de Hubble (unha medida da velocidade á que se expande o universo hoxe en día) e á masa das partículas elementais chamadas neutrinos.

Cartografar un millón de galaxias ao mes

“DESI, mesmo cos datos do seu primeiro ano de funcionamento, xa é o cartografado espectroscópico que tomou máis datos da historia e continúa aumentando esta cantidade a razón dun millón de galaxias cada mes”, di Eusebio Sánchez, investigador do CIEMAT. “Este extraordinario conxunto de datos fai que podamos medir a historia da expansión do universo cunha precisión sen precedentes. Estamos seguros de que DESI aumentará o noso coñecemento do universo e quizá nos permita facer descubrimentos revolucionarios”, subliña.

A precisión xeral de DESI na medida da velocidade de expansión ao longo de 11.000 millóns de anos é dun 0,5% e na época máis distante, que cobre entre 8.000 e 11.000 millóns de anos, é dun 0,82%.

Esta medida do universo novo é moi difícil de levar a cabo. E tan só nun ano, DESI mostrouse dúas veces máis poderoso na medida da velocidade de expansión que o seu predecesor (BOSS/eBOSS do Sloan Dixital Sky Survey), que tomou datos durante máis dunha década.

Mirando ao mapa de DESI é fácil apreciar a estrutura subxacente do universo: galaxias acumuladas en filamentos, separados por baleiros con menos obxectos. O universo temperán era, con todo, moi diferente: unha sopa densa e quente de partículas subatómicas movéndose tan rápido que aínda non se podía formar materia estable como os átomos que hoxe coñecemos. Entre esas partículas había núcleos de hidróxeno e de helio, colectivamente denominados barións.

Burbullas e oscilacións de bariones

Flutuacións diminutas neste plasma inicial provocaron ondas de presión, facendo que os barións se movesen cun patrón de oscilacións que é similar ao que se vería ao lanzar un puñado de grava miúda nun estanque. Segundo o universo foise expandindo e arrefriando, formáronse os átomos e as ondas de presión detivéronse, conxelando estas ondulacións en tres dimensións en forma de burbullas, e poñendo a semente das futuras galaxias nas zonas máis densas.

Miles de millóns de anos despois, aínda podemos observar un sinal moi débil destas burbullas como unha separación característica entre galaxias, unha propiedade denominada oscilacións acústicas dos barións (BAO, por Baryon Acoustic Oscillations).

Os investigadores utilizan as medidas da escala BAO como unha regra cósmica. Medindo o tamaño aparente das burbullas, son capaces de determinar a distancia á materia responsable deste debilísimo patrón no ceo.

Cartografando as burbullas BAO, as máis próximas e máis afastadas, os investigadores poden dividir os datos en capas, medindo a velocidade de expansión en cada momento do pasado e modelando o efecto da enerxía escura na expansión.

“DESI xa é máis preciso que todos os cartografados de BAO anteriores en toda a historia cósmica”, di Violeta González Pérez, investigadora do Departamento de Física Teórica da Universidade Autónoma de Madrid, “e os seus datos permítennos estudar misterios cósmicos que están máis alá da nosa comprensión actual do universo”.

Utilizar as galaxias para medir a velocidade de expansión é unha das técnicas para entender mellor a enerxía escura, pero ten un alcance limitado. A partir de certa distancia, a luz das galaxias habituais faise demasiado débil, e os científicos empezan a estudar cuásares, núcleos galácticos extremadamente brillantes que albergan buracos negros nos seus centros.

O bosque Lyman-alfa

A luz dos cuásares absórbese cando pasa a través das nubes de gas intergalácticas, permitindo aos científicos cartografar as acumulacións densas de materia e utilizalas da mesma maneira que se utilizan as galaxias, unha técnica coñecida como “o bosque Lyman-alfa”.

“Basicamente, utilizamos os cuásares como fontes de luz afastadas para ver a sombra da materia que hai entre eles e nós”, di Andreu Font-Ribera, investigador do IFAE que colidera a análise deste peculiar ‘bosque’. “Isto permítenos observar a distancias inalcanzables con outros métodos, cando o universo era moi novo. É unha medida extremadamente difícil, e é moi reconfortante ver que tivo éxito”, engade.

Os científicos utilizaron 450.000 cuásares, o conxunto máis grande xamais recompilado para medir o bosque Lyman-alfa, estendendo as medidas da escala BAO ata os 11.000 millóns de anos no pasado. O obxectivo de DESI é cartografar 3 millóns de cuásares e 37 millóns de galaxias cando o proxecto finalice.

“A expansión do universo non é constante, e para entender mellor a enerxía escura é importante medir esa expansión en distintos momentos da historia do universo, e isto é o que fixemos con DESI”, explica Font-Ribera: “Temos sete medidas da escala de BAO a diferentes redshifts ou desprazamentos cara ao vermello (os distintos momentos na historia do universo) que nos permiten estudar o cambio na expansión de maneira máis precisa”, apunta.

Pero o cosmólogo aclara: “DESI non mide de maneira directa a expansión xusto agora mesmo, coñecida como a constante de Hubble (H) e con valor próximo a 70 (km/s)/Megaparsecs. O que podemos facer respecto diso é combinar os nosos datos con outros anteriores para poñer límites a H₀ dentro do marco teórico Lambda CDM, e isto dános unha medida duns 68 (km/s)/Mpc”.

Unha análise cega completa

DESI é o primeiro experimento espectroscópico que realizou unha “análise cega” completa, que oculta o resultado verdadeiro aos científicos para evitar calquera nesgp de confirmación subxectivo. Os investigadores traballan con datos enmascarados, e desenvolven todo o proceso de análise sen coñecer a información verdadeira. Unha vez todo está finalizado, aplícase a análise aos datos orixinais para obter a resposta final.

“O feito de que a análise se desenvolvera coa técnica de enmascarar os datos achéganos un grao extra de confianza nos resultados obtidos”, comenta Héctor Gil Marín, investigador do Instituto de Ciencias do Cosmos da Universidade de Barcelona (ICCUB).

As análises cegas xa son unha práctica estándar en campos como a física experimental de partículas ou os estudos clínicos. Gil Marín e outros investigadores do seu instituto desenvolveron o que resultou ser unha forma moi robusta e difícil de descifrar, para ocultar os resultados da agrupación de galaxias en DESI ata que se complete a análise. “Estamos seguros de que o esforzo extra que isto implicou mellorará a confianza e a integridade nos resultados de DESI”, destaca Gil Marín.

Os datos deste instrumento usaranse ademais como complemento de futuros cartografados do ceo como os do Observatorio Vera C. Rubin (onde se vai a instalar a cámara máis grande na historia da astronomía) e o telescopio espacial Nancy Roman, e para preparar unha mellora potencial de DESI (DESI-II) que foi recomendada nun informe recente polo Particle Physics Project Prioritization Panel dos Estados Unidos.

“É emocionante ver como os resultados de DESI nos dan unha visión precisa de como é o universo”, comenta Francisco Javier Castander, investigador do Instituto de Ciencias do Espazo (ICE-CSIC) e do Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), que adianta: “Isto só é o principio, cos novos datos que estamos a obter as nosas medidas serán aínda máis precisas”.