La gravedad ha dado forma a nuestro Cosmos tal y como lo conocemos. La influencia de esta fuerza dio forma de manera muy sutil a la materia presente en el Universo temprano para convertirla en los extensos cordones de galaxias que vemos hoy. Un nuevo estudio realizado con datos del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI), en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha rastreado el crecimiento de esta estructura cósmica a lo largo de los últimos 11.000 millones de años, dando como resultado la medida más precisa hasta la fecha de la gravedad a escalas cósmicas.
DESI es una colaboración internacional en la que participan más de 900 investigadores de más de 70 instituciones de todo el mundo. El proyecto está gestionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
Qué se ha confirmado con este estudio del Universo de los últimos 11.000 millones de años
En su nuevo estudio, los investigadores del DESI han reafirmado, con datos, que la gravedad se comporta tal y como predice la Teoría de la Relatividad General de Einstein. El resultado valida el modelo más aceptado del Universo y limita las posibles teorías de gravedad modificada, que se han propuesto como formas alternativas de explicar observaciones inesperadas, incluida la expansión acelerada de nuestro Universo que suele atribuirse a la energía oscura.
“La Relatividad General se ha comprobado muy bien en la escala de los sistemas planetarios, pero también necesitábamos probar que nuestra hipótesis funciona a escalas mucho mayores”, explica Pauline Zarrouk, cosmóloga del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, que trabaja en el Laboratorio de Física Nuclear y de Altas Energías (LPNHE) y ha codirigido el nuevo análisis. “Estudiar el ritmo al que se formaron las galaxias nos permite poner a prueba directamente nuestras teorías y, hasta ahora, coincidimos con lo que predice la Relatividad General a escalas cosmológicas”, añade.
El estudio también proporciona nuevos límites superiores de la masa de los neutrinos, que son las únicas partículas fundamentales cuyas masas aún no se han medido con precisión. Experimentos anteriores con neutrinos habían descubierto que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos debía ser de al menos 0,059 eV/c2. (A modo de comparación, un electrón tiene una masa aproximadamente diez mil veces mayor). Los resultados de DESI indican que la suma debería ser inferior a 0,071 eV/c2, lo que deja un estrecho margen para las masas de los neutrinos.
La colaboración DESI ha compartido sus resultados en varios artículos publicados en el repositorio en línea arXiv. El complejo análisis ha utilizado casi seis millones de galaxias y cuásares y ha permitido a las personas participantes en la investigación ver hasta 11.000 millones de años hacia atrás en el tiempo. Con solo un año de datos, DESI ha realizado la medición global más precisa del crecimiento de estructuras en el universo, superando todos los esfuerzos anteriores, que tardaron décadas en realizarse.
Los resultados ahora presentados proporcionan un análisis ampliado del primer año de datos de DESI, que en abril elaboró el mayor mapa tridimensional de nuestro universo hasta la fecha y reveló indicios de que la energía oscura podría estar evolucionando con el tiempo. Los resultados de abril se centraban en una característica particular de las agrupaciones de galaxias conocida como oscilaciones acústicas de bariones (BAO, por sus siglas en inglés). El nuevo análisis, denominado “análisis de forma completa”, amplía el alcance para extraer más información de los datos, midiendo cómo se distribuyen las galaxias y la materia a diferentes escalas en el espacio. El estudio ha requerido meses de trabajo adicional y comprobaciones exhaustivas. Al igual que el estudio anterior, se utilizó una técnica para ocultar el resultado a los científicos participantes, mitigando cualquier sesgo inconsciente.
“Tanto nuestros resultados BAO como el análisis de la forma completa son espectaculares”, afirma Dragan Huterer, profesor de la Universidad de Michigan y codirector del grupo de DESI que interpreta los datos cosmológicos. “Es la primera vez que DESI analiza el crecimiento de la estructura cósmica. Estamos mostrando una nueva y tremenda capacidad para sondear la gravedad modificada y mejorar las restricciones de los modelos de energía oscura. Y esto es sólo la punta del iceberg”, apunta Huterer.
De qué es capaz el instrumento empleado en este estudio para confirmar la Teoría de la Relatividad
DESI es un instrumento de última generación capaz de captar simultáneamente la luz de 5.000 objetos. Fue construido y es operado con financiación de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos. DESI está montado en el telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall de la Fundación Nacional para la Ciencia de EE.UU., en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (un programa del NOIRLab de la NSF). El experimento se encuentra en el cuarto de sus cinco años de exploración del cielo y tiene previsto recoger unos 40 millones de galaxias y cuásares cuando finalice el proyecto.
La colaboración está analizando actualmente los tres primeros años de datos recogidos y espera presentar mediciones actualizadas de la energía oscura y de la historia de la expansión de nuestro Universo en la primavera de 2025. Los resultados ampliados de DESI, publicados ahora, son coherentes con estudios anteriores con respecto a la energía oscura en evolución, lo que aumenta la expectación ante los futuros resultados científicos extraídos con este mismo instrumento.
“La materia oscura constituye aproximadamente una cuarta parte del universo, y la energía oscura, otro 70 por ciento, y no sabemos realmente qué es ninguna de las dos”, afirma Mark Maus, estudiante de doctorado en el Berkeley Lab y la UC Berkeley que trabajó en la teoría y los modelos de validación del nuevo análisis. Maus añade que “la idea de que podamos tomar imágenes del Universo y abordar estas grandes cuestiones fundamentales es alucinante”.
Participación activa del IAC
El IAC participa de manera muy activa en DESI a través de dos equipos dirigidos por los doctores Francisco Kitaura y Carlos Allende Prieto. El primero de estos equipos, donde además de Kitaura trabaja también el investigador Aurelio Carnero, ha realizado simulaciones cosmológicas y organizado los resultados en una base de datos. Por su parte, el segundo equipo donde además de Allende Prieto, han colaborado Guillaume Thomas y David Aguado, ha trabajado en el análisis de las estrellas de nuestra Galaxia, la Vía Láctea, que desempeñan un papel importante para calibrar las mediciones de DESI.
DESI cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencia del DOE y del National Energy Research Scientific Computing Center, una instalación usuaria de la Oficina de Ciencia del DOE. DESI cuenta con el apoyo adicional de la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU., el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Heising-Simons, la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA) de Francia, el Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías de México, el Ministerio de Ciencia, Innovación, y Universidades de España y las instituciones miembros de DESI.
La colaboración DESI agradece a la comunidad que se le permita llevar a cabo investigaciones científicas en I’oligam Du’ag (Kitt Peak), una montaña con especial significado para la Nación Tohono O’odham.
