La Colaboración del Estudio de Energía Oscura recopiló información de cientos de millones de galaxias revelando mediciones de la expansión del Universo que son dos veces más precisas que los análisis anteriores. La investigación fue posible gracias a un completo análisis que combina por primera vez seis años de datos recolectados por la Cámara de Energía Oscura fabricada por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), que se encuentra instalada en el telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos en Cerro Tololo (CTIO).
El Estudio de Energía Oscura (DES, por sus siglas en inglés) es un esfuerzo internacional y colaborativo para mapear cientos de millones de galaxias, detectar miles de supernovas, y encontrar patrones en la estructura cósmica que ayuden a revelar la naturaleza de la misteriosa materia oscura que está acelerando la expansión de nuestro Universo.
Entre 2013 y 2019, la Colaboración DES realizó un estudio profundo y de amplia cobertura del cielo nocturno utilizando la Cámara de Energía Oscura de 570 megapíxeles (DECam, por sus siglas en inglés), fabricada por DOE, y montada en el Telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco de NSF que se encuentra en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO) en Chile, un programa de NOIRLab de NSF. Durante 758 noches, en un total de seis años, la Colaboración DES registró información de 669 millones de galaxias que están a miles de millones de años luz de la Tierra, cubriendo una octava parte del cielo nocturno.
Hoy, la Colaboración DES publica los resultados que por primera vez combinan los seis años de datos estudiados de lentes gravitacionales y agrupaciones de galaxias, dos referencias que se utilizan como técnicas para medir la expansión del Universo. La colaboración también presenta los primeros resultados obtenidos al combinar los cuatro métodos de medición de la expansión del Universo: las oscilaciones acústicas de bariones (BAO, por sus siglas en inglés), supernovas de tipo-Ia, cúmulos galácticos, y lentes gravitacionales débiles —tal y como se propuso al inicio del estudio DES, 25 años atrás. El artículo científico, enviado a la revista Physical Review D, representa un resumen de 18 artículos de apoyo.
La astrónoma adjunta de NOIRLab de NSF y miembro de la colaboración DES, Yuanyuan Zhang, expresó que “es una sensación increíble ver estos resultados basados en todos los datos y con los cuatro métodos que DES había propuesto. Esto es algo con lo que sólo me atrevía a soñar cuando DES comenzó a recopilar datos, y ahora el sueño se ha hecho realidad”.
El análisis arroja nuevas restricciones más estrictas que reducen los modelos sobre el posible comportamiento del Universo. Estas restricciones son más del doble de estrictas que las de los análisis anteriores del estudio DES, aunque siguen siendo coherentes con los resultados previos del estudio DES.
Al respecto, el Director Asociado para la Oficina de Física de Altas Energías, en la Oficina de Ciencias de DOE (DOE/SC), Regina Rameika, explicó que “estos resultados del Estudio de Energía Oscura arrojan luz en nuestra comprensión del Universo y su expansión, demostrando que la inversión a largo plazo en investigación, además de la combinación de múltiples tipos de análisis, pueden proporcionar información sobre algunos de los más grandes misterios del Universo”.
La primera pista sobre la existencia de la energía oscura se descubrió hace aproximadamente un siglo, cuando los astrónomos observaron que las galaxias lejanas parecían alejarse de nosotros. De hecho, cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja. Esto proporcionó la primera prueba clave de que el Universo se está expandiendo. Pero dado que el Universo está impregnado de gravedad, una fuerza que atrae la materia, los astrónomos esperaban que la expansión se ralentizará con el tiempo.
Entonces, en 1998, dos equipos de cosmólogos trabajando de forma independiente, utilizaron supernovas distantes para descubrir que la expansión del Universo se está acelerando en vez de hacerse más lenta. Para explicar estas observaciones, propusieron un nuevo tipo de fenómeno responsable de impulsar la expansión acelerada del Universo: la energía oscura. Ahora, los astrofísicos creen que la energía oscura constituye alrededor del 70% de la densidad de masa-energía del Universo. Sin embargo, todavía sabemos muy poco sobre ella.
En los años siguientes, los científicos comenzaron a idear experimentos para estudiar la energía oscura, entre ellos el DES. Hoy en día, DES es una colaboración internacional de más de 400 astrofísicos y científicos de 35 instituciones en siete países liderados por el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi del DOE.
Para obtener los últimos resultados, los científicos mejoraron considerablemente los métodos que utilizan lentes débiles para reconstruir de forma sólida la distribución de la materia en el Universo. Los lentes débiles son la distorsión de la luz proveniente de galaxias distantes debido a la gravedad de materia intermedia como los cúmulos de galaxias. Para ello, midieron la probabilidad de que dos galaxias se encuentren a una determinada distancia y la probabilidad de que también estén distorsionadas de forma similar por el lente débil. Al reconstruir la distribución de la materia a lo largo de seis mil millones de historia cósmica, estas mediciones de lentes débiles y la distribución de las galaxias, indican a los científicos cuánta energía oscura y materia oscura hay en cada momento.
En este análisis, DES comparó dos modelos del Universo con sus datos. Existe el actualmente aceptado modelo estándar de cosmología — el modelo Lambda de materia oscura fría (ΛCDM)— en el cual la densidad de la energía oscura es constante. Pero también existe un modelo ampliado —wCDM—, en el que la densidad de la energía oscura evoluciona con el tiempo.
DES descubrió que sus datos coincidían en su mayor parte con el modelo estándar de cosmología. Sus datos también encajan con el modelo de energía oscura en evolución, pero no mejor que con el modelo estándar.
Sin embargo, aún hay un parámetro que no cuadra. Basándose en mediciones del Universo primitivo, tanto el modelo estándar como el modelo evolutivo de la energía oscura, predicen cómo se agrupa la materia en el Universo en épocas posteriores. En análisis previos, se descubrió que los cúmulos galácticos eran diferentes a lo previsto. Cuando DES incluyó los datos más recientes, esa diferencia se amplió, pero no hasta el punto de afirmar con certeza que el modelo estándar de cosmología es incorrecto. La diferencia persistió incluso cuando DES combinó sus datos con los de otros experimentos.
A continuación, DES combinará este trabajo con las restricciones más recientes de otros experimentos sobre la energía oscura para investigar modelos alternativos de gravedad y energía oscura. Este análisis es también importante porque allana el camino para el nuevo Observatorio Vera C. Rubin de NSF-DOE, financiado por NSF y DOE/SC, y operado de manera conjunta por NOIRLab de NSF y SLAC, el que recopilará datos complementarios durante los diez años de la Investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la posteridad (LSST). Se trata de un profundo y amplio estudio que catalogará alrededor de 20 mil millones de galaxias en todo el cielo del hemisferio sur. Los datos se pueden combinar con los de estudios como el DES para permitir mediciones de alta precisión de parámetros cosmológicos que perfeccionarán aún más nuestra comprensión de la energía oscura y la expansión del Universo.
“DES ha sido transformador y el Observatorio Vera C. Rubin de NSF-DOE nos llevará aún más lejos. El estudio sin precedentes del cielo austral que realizará Rubin, permitirá realizar nuevas pruebas de la gravedad y conocer más información sobre la energía oscura”, expresó el Director de Programa para NOIRLab de NSF, Chris Davis.
