Creciente evidencia de la evolución de la energía oscura podría inspirar un nuevo modelo del universo

El nacimiento, el crecimiento y el futuro de nuestro universo son eternamente fascinantes.

En las últimas décadas, los telescopios han podido observar el cielo con una precisión y sensibilidad sin precedentes.

Nuestro equipo de investigación en el Telescopio del Polo Sur estudia cómo evolucionó el universo y cómo ha cambiado con el tiempo. Acabamos de publicar un mapeo de dos años del universo en su infancia, que abarca una veinticincoava parte del cielo.

Estas observaciones han profundizado nuestra comprensión de la naturaleza de la energía oscura y la velocidad a la que se expande el universo.

¿Cuál es la teoría actual sobre el origen de nuestro universo?

Nuestro modelo actual para el universo primitivo se conoce como el «Big Bang caliente».

Describe la primera etapa de nuestro universo como una bola de fuego primordial compuesta por plasma muy caliente, muy similar a nuestro Sol.

El Big Bang comenzó hace unos 13.800 millones de años cuando un fenómeno conocido como inflación cósmica provocó que el universo se expandiera a una velocidad superior a la de la luz durante una fracción de segundo.

A medida que el universo se expandió y enfrió tras la inflación, la materia ordinaria (la que podemos ver e interactuar con ella) se parecía mucho a nuestro Sol: un plasma supercalentado compuesto de fotones, electrones y núcleos ionizados (o cargados) de hidrógeno y helio.

Los telescopios modernos pueden detectar la tenue radiación de 400.000 años después del Big Bang, conocida como el fondo cósmico de microondas (CMB). El CMB es una instantánea del plasma y las condiciones en ese momento, cuando su temperatura se había enfriado a aproximadamente la mitad de la del Sol.

Este enfriamiento permitió que el plasma se recombinara, formando átomos como el hidrógeno y el helio. En la época del CMB, el universo era casi perfectamente uniforme, con variaciones de densidad de tan solo una parte por cada 100.000 en todo el cielo.

Nuestra teoría actual predice que la materia oscura colapsa para formar regiones densas que atraen la materia ordinaria cercana. El gas en estas regiones densas se enfría y colapsa para formar las galaxias y estrellas que vemos hoy.

En conjunto, estas etapas conforman el mejor modelo actual de la formación del cosmos, conocido como modelo Lambda-materia oscura fría o modelo Lambda-CDM.

¿Qué es la energía oscura y por qué es tan importante?

Si el universo solo contuviera materia ordinaria y materia oscura, esperaríamos que la atracción gravitatoria de toda la masa del universo ralentizara su expansión, de la misma manera que si lanzamos una pelota hacia arriba, la gravedad de la Tierra la atrae hacia abajo.

Sin embargo, en 1998, astrónomos que medían la distancia a supernovas lejanas descubrieron que la expansión había comenzado a acelerarse en lugar de ralentizarse.

Para explicar esto, los científicos recurrieron a la energía oscura, un elemento desconocido que, a diferencia de la materia, repele gravitacionalmente en lugar de atraer, separando el universo casi como si fuera antigravedad. La versión más simple de la energía oscura es la idea original de Einstein de una constante cosmológica, como una forma de equilibrar la acción de la gravedad en su teoría de la relatividad general.

La misteriosa energía oscura constituye casi el 70% del universo actual. Y aunque no podemos verla directamente, determina cómo se expande nuestro universo y su destino final.

¿Cuáles son las nuevas observaciones?

El Telescopio del Polo Sur es un telescopio de 10 metros con 16.000 detectores sensibles a la luz en longitudes de onda milimétricas, ubicado en la Estación Amundsen-Scott del Polo Sur en la Antártida.

Nuestro equipo internacional recopiló datos durante dos años con el instrumento principal.

Analizamos estos datos, que cubren 1/25 del cielo, para realizar mediciones precisas de la temperatura y los patrones de polarización causados ​​por la distribución de la materia en el fondo cósmico de microondas del universo primitivo.

Combinamos los mapas del universo primitivo del Telescopio del Polo Sur con observaciones de la distribución 3D de galaxias realizadas previamente por la colaboración del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI).

Lo que observamos en los experimentos de DESI, y ahora reforzado por nuestras observaciones del Telescopio del Polo Sur, es que la energía oscura se está debilitando con el tiempo, o evolucionando en el tiempo. La aceleración de la expansión del universo causada por la energía oscura podría detenerse en un futuro lejano.

Los resultados ya están disponibles y se han enviado para revisión por pares.

¿Por qué podría ser necesario actualizar la teoría del universo?

Las nuevas mediciones con el Telescopio del Polo Sur permiten establecer restricciones más precisas en nuestros modelos cosmológicos. En particular, los datos refuerzan nuestra medición de la escala del horizonte sonoro hace 13.800 millones de años.

Anteriormente, el estándar de oro para las mediciones del fondo cósmico de microondas lo proporcionaban los datos del satélite Planck, obtenidos hace una década.

Las mediciones mejoradas del Telescopio del Polo Sur, al combinarse con el experimento DESI y otros conjuntos de datos del CMB, reducen la probabilidad de una constante cosmológica y aumentan la preferencia por los modelos de energía oscura que evolucionan en el tiempo.

La relevancia aumenta aún más al añadir observaciones de supernovas.

Entonces, ¿es errónea la teoría de la relatividad de Einstein o simplemente necesita una modificación?
Cuando Einstein formuló su teoría de la relatividad a principios del siglo XX, el modelo predominante era el de un universo estático, a diferencia del universo en expansión actual.

Para evitar el colapso gravitacional y permitir un universo estático eterno, Einstein añadió un término repulsivo a su teoría, denominado «constante cosmológica». Einstein se retractó posteriormente tras el descubrimiento de Edwin Hubble de que el universo se expandía en 1929.

Tres décadas después de su muerte, los astrónomos que observaban supernovas descubrieron que la expansión del universo se aceleraba. La explicación más sencilla para esta aceleración era recuperar la constante cosmológica de Einstein como fuerza repulsiva.

Hasta hace poco, nuestras observaciones del universo podían explicarse completamente mediante una constante cosmológica.

Si las actuales pistas sobre el debilitamiento de la energía oscura se sustentan en investigaciones posteriores, significará que necesitamos ir más allá de la constante cosmológica, ya sea modificando la teoría de la relatividad general o incluyendo la energía oscura que evoluciona con el tiempo.

¿Cuándo sabremos si necesitamos una nueva teoría?

¡Es difícil saberlo! La evidencia actual de la energía oscura en evolución aún es inferior al estándar de oro, que es menos de 1 probabilidad entre 3,5 millones de ser falsa (también conocido como 5 sigma).

La colaboración DESI está planeando un instrumento mejorado, DESI-2, tras el sondeo actual, y con el tiempo pretende construir un experimento espectroscópico mucho más ambicioso, Spec-S5.

Podemos esperar la instalación de un receptor mejorado en el Telescopio del Polo Sur en 2028, así como los resultados futuros del Observatorio Simons (cuyas observaciones del sondeo comenzarán a finales de este año) y, en la década de 2030, del experimento CMB-S4.

En algún momento de este proceso, esperamos tener suficiente evidencia para afirmar definitivamente si la expansión acelerada del universo está realmente perdiendo fuerza.

Con información de arXiv