Un tentador ‘indicio’ de que los astrónomos se equivocaron con la energía oscura

An interactive flight through millions of galaxies mapped using coordinate data from the Dark Energy Spectroscopic Instrument, or DESI.Credit…By Fiske Planetarium, University Of Colorado Boulder And Desi Collaboration

Los científicos podrían haber descubierto un fallo importante en su comprensión de esa misteriosa fuerza cósmica. Podrían ser buenas noticias para el destino del universo.

Dennis Overbye, The New York Times, 5 de abril de 2024

El jueves, los astrónomos que están llevando a cabo lo que describen como el mayor y más preciso estudio de la historia del universo anunciaron que podrían haber descubierto un fallo importante en su comprensión de la energía oscura, la misteriosa fuerza que acelera la expansión del cosmos.

Se suponía que la energía oscura era una fuerza constante en el universo, tanto en la actualidad como a lo largo de la historia cósmica. Pero los nuevos datos sugieren que puede ser más cambiante, haciéndose más fuerte o más débil con el tiempo, invirtiéndose o incluso desvaneciéndose.

“Es posible que sea la primera pista real que tengamos sobre la naturaleza de la energía oscura en 25 años”, dijo Adam Riess, astrónomo de la Universidad Johns Hopkins y del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore. Riess compartió el Premio Nobel de Física de 2011 con otros dos astrónomos por el descubrimiento de la energía oscura, pero no participó en este nuevo estudio.

Esta conclusión, de confirmarse, podría liberar a los astrónomos —y al resto de nosotros— de una antigua y sombría predicción sobre el destino final del universo. Si el trabajo de la energía oscura fuera constante a lo largo del tiempo, acabaría separando todas las estrellas y galaxias hasta tal punto que incluso los átomos podrían romperse en pedazos, privando al universo de toda vida, luz, energía y pensamiento, y condenándolo a un caso eterno de depresión cósmica. En cambio, parece que la energía oscura puede cambiar el rumbo y dirigir el cosmos hacia un futuro más rico.

La palabra clave es “podría”. El nuevo hallazgo tiene aproximadamente una probabilidad entre 400 de ser una casualidad estadística, un grado de incertidumbre llamado tres sigma, que está muy lejos del estándar de oro para un descubrimiento que es el cinco sigma: una probabilidad entre 1,7 millones. En la historia de la física, incluso los sucesos de cinco sigma se han evaporado cuando han aparecido más datos o mejores interpretaciones de los mismos.

Esta noticia llega en el primer informe de situación, publicado en una serie de artículos, de una gran colaboración internacional denominada Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI). El grupo acaba de iniciar un proyecto de cinco años para crear un mapa tridimensional de las posiciones y velocidades de 40 millones de galaxias a lo largo de 11.000 millones de años de tiempo cósmico. Su mapa inicial, basado en el primer año de observaciones, solo incluye seis millones de galaxias. Losresultados se divulgaron en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en Sacramento, California, y en la conferencia Rencontres de Moriond en Italia.

DESI ha generado el mayor mapa tridimensional del universo. La Tierra aparece en el centro de una sección ampliada.Credit…Claire Lamman/DESI collaboration; Custom Colormap Package by cmastro

“Hasta ahora hemos observado una concordancia básica con nuestro mejor modelo del universo, pero también algunas diferencias potencialmente interesantes que podrían indicar que la energía oscura evoluciona con el tiempo”, declaró Michael Levi, director de DESI, en un comunicado emitido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que gestiona el proyecto.

Nathalie Palanque-Delabrouille, astrofísica del laboratorio y portavoz del proyecto, dijo en una entrevista que el equipo de DESI no esperaba realizar un hallazgo tan pronto. El primer año de resultados se diseñó simplemente para confirmar lo que ya se sabía. “Pensábamos que básicamente validaríamos el modelo estándar”, explicó.

Pero lo desconocido saltó a la vista.

Cuando los científicos combinaron su mapa con otros datos cosmológicos, se sorprendieron al descubrir que no coincidía del todo con el modelo estándar del universo, por lo demás fiable, que supone que la energía oscura es constante e inmutable. Una energía oscura variable se ajustaba mejor a los datos.

“Es algo más que una curiosidad”, dijo Palanque-Delabrouille. “Yo lo llamaría un indicio. Sí, aún no es una prueba, pero es interesante”.

Pero los cosmólogos se están tomando este indicio muy en serio.

Wendy Freedman, astrofísica de la Universidad de Chicago que ha dirigido los esfuerzos para medir la expansión del universo, elogió la nueva encuesta como “datos magníficos”. Dijo que los resultados “abren la posibilidad de una nueva ventana a la comprensión de la energía oscura, el componente dominante del universo, que sigue siendo el mayor misterio de la cosmología. Bastante emocionante”.

Michael Turner, profesor emérito de la Universidad de Chicago que acuñó el término “energía oscura”, dijo en un correo electrónico: “Aunque combinar conjuntos de datos es complicado, y estos son los primeros resultados de DESI, la posible evidencia de que la energía oscura no es constante es la mejor noticia que he oído desde que se estableció firmemente la aceleración cósmica hace más de 20 años”.

En una representación artística, la luz de los cuásares atraviesa nubes intergalácticas de gas hidrógeno. La luz ofrece pistas sobre la estructura del cosmos lejano.Credit…NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld and DESI collaboration

La energía oscura entró en la conversación en 1998, cuando dos grupos competidores de astrónomos, entre los que se encontraba Riess, descubrieron que la expansión del universo se estaba acelerando en vez de ralentizarse, como había esperado la mayoría de los astrónomos. Las observaciones iniciales parecían sugerir que esta energía oscura actuaba como un famoso factor de distorsión —denominado con la letra griega lambda— que Einstein había introducido en sus ecuaciones para explicar por qué el universo no colapsaba por su propia gravedad. Más tarde lo definió como su peor error.

Pero quizá habló demasiado pronto. Tal como la formuló Einstein, Lambda era una propiedad del espacio en sí mismo: cuanto más espacio había a medida que el universo se expandía, más energía oscura se generaba, empujando cada vez más fuerte y conduciendo finalmente a un futuro desbocado y sin luz.

La energía oscura ocupó su lugar en el modelo estándar del universo conocido como LCDM, compuesto por un 70 por ciento de energía oscura (Lambda), un 25 por ciento de materia oscura fría (un surtido de partículas exóticas de movimiento lento) y un 5 por ciento de materia atómica. Hasta ahora, el nuevo telescopio espacial James Webb ha afectado este modelo, pero no lo ha roto. Pero, ¿y si la energía oscura no fuera constante, como suponía el modelo cosmológico?

Se trata de un parámetro llamado w, que mide la densidad o vehemencia de la energía oscura. En la versión de Einstein de la energía oscura, este número permanece constante, con un valor de -1, durante toda la vida del universo. Durante 25 años, los cosmólogos han utilizado ese valor en sus modelos.

Pero esta versión de la energía oscura solo es la más simple. “Con DESI hemos alcanzado una precisión que nos permite ir más allá de ese modelo simple”, dijo Palanque-Delabrouille, “para ver si la densidad de la energía oscura es constante a lo largo del tiempo, o si tiene algunas fluctuaciones y evolución con el tiempo”.

El proyecto DESI, de 14 años de duración, se diseñó para comprobar la constancia de la energía oscura midiendo la velocidad de expansión del universo en distintos momentos del pasado. Para hacer eso, los científicos equiparon un telescopio en el Observatorio Nacional de Kitt Peak con 5000 detectores de fibra óptica que podían realizar espectroscopia en ese número de galaxias simultáneamente y averiguar a qué velocidad se alejaban de la Tierra.

[Imagen a continuación: un modelo animado en 3D del plano focal de DESI. El movimiento de los 5000 posicionadores robóticos se coordina para que no choquen entre sí.]

An animated 3-D model of DESI’s focal plane. The movement of the 5,000 robotic positioners is coordinated so that they don’t bump into one another.CreditCredit…By David Kirkby/desi Collaboration

Como medida de la distancia, los investigadores utilizaron protuberancias en la distribución cósmica de las galaxias, conocidas como oscilaciones acústicas de bariones. Estas protuberancias fueron impresas en el cosmos por las ondas sonoras del plasma caliente que llenaba el universo cuando solo tenía 380.000 años. En ese entonces, las protuberancias tenían un diámetro de medio millón de años luz. Ahora, 13.500 millones de años más tarde, el universo se ha expandido mil veces y las protuberancias, que ahora tienen 500 millones de años luz de diámetro, sirven como cómodas varas de medir cósmicas.

Los científicos del DESI dividieron los últimos 11.000 millones de años de historia cósmica en siete lapsos de tiempo. (El universo tiene 13.800 millones de años). Para cada lapso, midieron el tamaño de estas protuberancias y la velocidad a la que las galaxias que las formaban se alejaban de nosotros y entre sí.

Cuando los investigadores reunieron todos los datos, descubrieron que la hipótesis habitual —una energía oscura constante— no servía para describir la expansión del universo. Las galaxias de las tres épocas más recientes parecían estar más cerca de lo que deberían, lo que sugiere que la energía oscura podría estar evolucionando con el tiempo.

“Y vemos, en efecto, un indicio de que las propiedades de la energía oscura no corresponderían a una constante cosmológica simple”, sino que podrían “tener algunas desviaciones”, dijo Palanque-Delabrouille. “Y esta es la primera vez que vemos eso”. Sin embargo, recalcó: “Yo aún no lo llamaría evidencia. Es demasiado, demasiado débil”.

El tiempo y más datos dirán el destino de la energía oscura, y del modelo del universo probado por los cosmólogos.

“LCDM está siendo sometido a pruebas de precisión desde todas las direcciones”, dijo Turner. “Y lo está haciendo bien. Pero, cuando se analiza todo en conjunto, empieza a parecer que algo no va bien o que falta algo. Las cosas no encajan a la perfección. Y DESI es el último indicio”.

Riess, el investigador de Johns Hopkins, que ya había echado un vistazo a los resultados de DESI, señaló que el “indicio”, si se valida, podría cuestionar otras mediciones cosmológicas, como la edad o el tamaño del universo. “Este resultado es muy interesante y deberíamos tomarlo en serio”, escribió en su correo electrónico. “Si no, ¿para qué hacemos estos experimentos?”.