Nuevos resultados de DESI refuerzan las indicaciones de que la energía oscura cambia con el tiempo

El destino final del universo depende del balance entre la materia y la energía oscura, el ingrediente fundamental que provoca su expansión acelerada. Nuevos resultados del instrumento espectroscópico de la energía oscura (DESI, por dark energy spectroscopic instrument) utilizan el mayor mapa en 3D del universo jamás construido para caracterizar la influencia de la energía oscura en la expansión del universo durante los últimos 11.000 millones de años. En este estudio se observan indicios de que la energía oscura, que se pensaba que era una constante cosmológica, podría evolucionar con el tiempo de maneras inesperadas.

DESI es un experimento internacional en el que participan más de 900 personas de más de 70 instituciones de todo el mundo, liderado por el Laboratorio Lawrence Berkeley de los Estados Unidos. La colaboración ha hecho públicos sus hallazgos en múltiples artículos enviados al repositorio digital ArXiv y en una ponencia en el congreso American Physical Society Global Summit, celebrado en Anaheim, California.

"Los resultados que hemos obtenido son muy interesantes", afirma Andreu Font-Ribera, científico del IFAE y miembro del equipo de DESI que ha desarrollado el estudio. "Parece que estamos a punto de presenciar un cambio de paradigma en los modelos de evolución del universo, y esto es muy emocionante".

En solitario, los datos de DESI son consistentes con el modelo estándar del universo, ΛCDM (donde CDM, cold dark matter por sus siglas en inglés, es la materia oscura fría y Λ representa la explicación más sencilla de la energía oscura, donde se comporta como una constante cosmológica). Sin embargo, cuando se combinan con otras medidas, hay indicaciones crecientes de que el impacto de la energía oscura puede estar debilitándose con el tiempo. Esto sugiere que otros modelos, distintos del comúnmente aceptado, podrían proporcionar una explicación mejor de la evolución cósmica. Esas otras medidas incluyen la luz remanente del amanecer del universo (la radiación de fondo de microondas o CMB), explosiones estelares (supernovas) y las distorsiones en la propagación de la luz causadas por la gravedad (efecto lente gravitacional débil).

"En mi opinión, todavía es temprano para afirmar con rotundidad que hemos descubierto que la energía oscura sea cambiante", explica Eusebio Sánchez, investigador científico en el CIEMAT, que ha participado en el análisis de los datos. "Sin embargo, el hecho de que diferentes proyectos independientes estén observando resultados similares hace que la situación sea especialmente interesante".

Hasta ahora, la preferencia por una energía oscura cambiante no ha alcanzado las "5 sigmas", la convención estadística usada en física que fija el umbral necesario para considerar si una medida se considera un descubrimiento. El análisis de diferentes combinaciones de los datos de DESI con la CMB y varios conjuntos de supernovas encuentra un rango que va entre 2,8 y 4,2 sigmas (un suceso a 3 sigmas tiene una probabilidad del 0,3 % de ser una fluctuación estadística, pero muchos sucesos a 3 sigmas en física han desaparecido al recoger más datos). El análisis ha utilizado una técnica de doble ciego que oculta los resultados hasta el final, mitigando así cualquier sesgo inconsciente sobre los datos.

"Estos nuevos datos podrían indicar que el universo es más complejo de lo que nos pensábamos hasta ahora", dice Sergi Novell Masot, estudiante de doctorado del ICCUB y miembro del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), quien recientemente también ha publicado un estudio complementario usando los mapas de DESI. "Sin embargo, antes de sacar conclusiones definitivas, hay que entender bien los datos de supernovas y CMB, que, al combinarse con los resultados de DESI, parecen apuntar en esa dirección"

DESI es el cartografiado en 3D más extenso del cosmos jamás realizado. Tiene un instrumento puntero que captura luz de 5.000 galaxias simultáneamente. Los grupos españoles de DESI tuvieron un papel crucial en su construcción y participan en su operación. DESI está montado en el telescopio Nicholas U. Mayall, de 4 metros, situado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, en Arizona (Estados Unidos). El experimento se encuentra en su cuarto año de toma de datos, de un total previsto de cinco. Está planeado que mida unos 50 millones de galaxias y cuásares (objetos muy brillantes y extremadamente distantes que alojan agujeros negros en sus núcleos) al terminar el proyecto.

El nuevo análisis utiliza los datos de los 3 primeros años de observación: cerca de 15 millones de las galaxias y los cuásares mejor medidos. Es un avance importantísimo. La precisión del experimento ha mejorado con respecto al primer análisis de DESI, que también observó pistas de energía oscura cambiante, porque el conjunto de datos ha aumentado en un factor mayor que 2.

"Si se confirma, este sería uno de los resultados más importantes de las últimas décadas en cosmología, porque abre las puertas a nuevas ideas más allá del modelo estándar ΛCDM", comenta Juan García-Bellido, investigador del IFT-UAM/CSIC, que ha colaborado en esta medida. "Si los resultados adquieren mayor significancia con medidas futuras, podríamos explorar ideas como nuevas teorías de la gravedad o la quintaesencia, que predicen una aceleración variable de la expansión del universo".

DESI rastrea la influencia de la energía oscura estudiando la distribución de la materia en el universo. Los sucesos del universo temprano dejaron patrones muy sutiles en la distribución de la materia, conocidos como oscilaciones acústicas de los bariones (BAO). Estas oscilaciones se usan para calibrar distancias o regla estándar, y su tamaño aparente en diferentes momentos depende directamente de la expansión del universo. De la medida de la regla estándar a diferentes distancias se obtiene la fuerza de la energía oscura a lo largo de la historia cósmica. Las medidas de distancia que proporciona DESI en este nuevo estudio son las más precisas realizadas hasta la fecha.

"Estamos en un momento muy emocionante, ya que durante mucho tiempo hemos creído que el universo se comportaba de cierta manera, pero, ahora, con datos cada vez más precisos, nos damos cuenta de que hay aspectos que aún no comprendemos del todo", dice Laura Casas, estudiante de doctorado en el IFAE en Barcelona, que ha liderado la validación del análisis en los bosques Lyman-alfa. "Aunque queda mucho por investigar, la evidencia de que la energía oscura podría ser cambiante es un hallazgo fascinante".

La colaboración empezará muy pronto a trabajar en análisis adicionales para extraer aún más información del actual conjunto de datos y, además, DESI continuará acumulando nuevos datos. Otros experimentos que comenzarán en los próximos años proporcionarán conjuntos de datos complementarios para análisis futuros.

"Los resultados observacionales que estamos obteniendo de cómo evoluciona el universo abren un abanico muy amplio de posibles teorías que puedan explicar lo que observamos", comenta Francisco Javier Castander, investigador del ICE-CSIC y del IEEC, que ha contribuido al experimento. "Independientemente de cuál sea la naturaleza de la energía oscura, sus propiedades determinarán el futuro del universo. Es muy gratificante comprobar cómo el instrumento que hemos construido nos permite observar el cielo y estudiar el universo en detalle, para poder así responder a una de las preguntas más trascendentes que la humanidad se ha hecho".

Algunos vídeos que presentan el nuevo análisis están disponibles en el canal de YouTube de DESI. Además de hacer públicos los últimos resultados en la reunión de la American Physical Society (APS), la colaboración DESI también ha anunciado que su primer lanzamiento público de datos (DR1) se encuentra disponible para ser explorado. Este conjunto de datos contiene millones de objetos celestes y con él se podrá realizar un rango muy amplio de investigaciones astrofísicas que se suman a las metas cosmológicas de DESI.

DESI recibe financiación de las siguientes instituciones: la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía y el Centro de Computación Científica en Energía (NERSC), en los Estados Unidos; la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), en los Estados Unidos; la División de Ciencias Astronómicas (AST), mediante un contrato con el Observatorio Nacional de Astronomía Óptica del NSF; el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC), en el Reino Unido; las fundaciones Gordon y Betty Moore y Heising-Simons, en los Estados Unidos; el Comisariado de la Energía Atómica y las Energías Alternativas (CEA), en Francia; el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), en México; el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España, y las instituciones miembros de DESI.

La colaboración DESI agradece que les permitan llevar a cabo investigaciones astronómicas en el Du'ag, en Kitt Peak, Arizona, una montaña con un significado especial para la reserva india de la nación Tohono O'odham.

A nivel estatal, participan 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).