La Colaboración para el Estudio de la Energía Oscura recopiló información sobre cientos de millones de galaxias en todo el universo utilizando la Cámara de Energía Oscura, fabricada por el Departamento de Energía de EE. UU. e instalada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en CTIO, un programa de NSF NOIRLab. El análisis final combina por primera vez los seis años de datos y proporciona información sobre la historia de la expansión del universo dos veces más precisa que los análisis anteriores.
El Estudio de la Energía Oscura (DES) es un esfuerzo colaborativo internacional para cartografiar cientos de millones de galaxias, detectar miles de supernovas y encontrar patrones de estructura cósmica que ayudarán a revelar la naturaleza de la misteriosa energía oscura que acelera la expansión de nuestro universo.
Entre 2013 y 2019, la Colaboración DES realizó un estudio profundo y extenso del cielo utilizando la Cámara de Energía Oscura (DECam) de 570 megapíxeles, fabricada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), instalada en el Telescopio NSF Víctor M. Blanco de 4 metros, en el Observatorio Interamericano NSF Cerro Tololo (CTIO) en Chile. Durante 758 noches a lo largo de seis años, la Colaboración DES registró información de 669 millones de galaxias ubicadas a miles de millones de años luz de la Tierra, cubriendo una octava parte del cielo.
Hoy, la Colaboración DES publica resultados que, por primera vez, combinan los datos de seis años obtenidos mediante sondas de lente débil y agrupamiento de galaxias, dos técnicas para medir la historia de la expansión del universo. La colaboración también presenta los primeros resultados obtenidos combinando los cuatro métodos para medir la historia de la expansión del universo (oscilaciones acústicas bariónicas [BAO], supernovas de tipo Ia, cúmulos de galaxias y lentes gravitacionales débiles), propuestos al inicio de DES hace 25 años.
El artículo, enviado a Physical Review D, representa un resumen de 18 artículos complementarios. El análisis está actualmente disponible en el servidor de preimpresiones de arXiv.
«Es una sensación increíble ver estos resultados basados en todos los datos y con las cuatro sondas que DES había planeado. Esto era algo con lo que solo me habría atrevido a soñar cuando DES comenzó a recopilar datos, y ahora el sueño se ha hecho realidad», afirma Yuanyuan Zhang, astrónomo asistente de NSF NOIRLab y miembro de la Colaboración DES.
El análisis genera restricciones nuevas y más estrictas que restringen los posibles modelos del comportamiento del universo. Estas restricciones son más del doble de fuertes que las de análisis anteriores de DES, a la vez que se mantienen consistentes con los resultados previos de DES.
«Estos resultados del Estudio de Energía Oscura arrojan nueva luz sobre nuestra comprensión del universo y su expansión», afirmó Regina Rameika, directora asociada de la Oficina de Física de Altas Energías de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE/SC). «Demuestran cómo la inversión a largo plazo en investigación y la combinación de múltiples tipos de análisis pueden proporcionar información sobre algunos de los mayores misterios del universo».
La primera pista sobre la energía oscura se descubrió hace aproximadamente un siglo, cuando los astrónomos observaron que las galaxias distantes parecían alejarse de nosotros. De hecho, cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja. Esto proporcionó la primera evidencia clave de que el universo se está expandiendo. Sin embargo, dado que el universo está permeado por la gravedad, una fuerza que atrae la materia, los astrónomos esperaban que la expansión se ralentizara con el tiempo.
En 1998, dos equipos independientes de cosmólogos utilizaron supernovas distantes para descubrir que la expansión del universo se está acelerando en lugar de desacelerarse. Para explicar estas observaciones, propusieron un nuevo tipo de fenómeno responsable de la expansión acelerada del universo: la energía oscura. Los astrofísicos creen actualmente que la energía oscura constituye alrededor del 70 % de la densidad de masa-energía del universo. Sin embargo, aún sabemos muy poco sobre ella.
En los años siguientes, los científicos comenzaron a diseñar experimentos para estudiar la energía oscura, incluyendo DES. Hoy en día, DES es una colaboración internacional de más de 400 astrofísicos y científicos de 35 instituciones en siete países, liderada por el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi del Departamento de Energía.
Para obtener los últimos resultados, los científicos de DES desarrollaron métodos avanzados que utilizan lentes débiles para reconstruir de forma robusta la distribución de la materia en el universo. La lente débil es la distorsión de la luz de las galaxias distantes debido a la gravedad de la materia interpuesta, como los cúmulos de galaxias. Lo lograron midiendo la probabilidad de que dos galaxias se encuentren a cierta distancia y la probabilidad de que también estén distorsionadas de forma similar por el efecto de lente débil. Al reconstruir la distribución de la materia a lo largo de seis mil millones de años de historia cósmica, estas mediciones del efecto de lente débil y la distribución de galaxias indican a los científicos cuánta energía oscura y materia oscura hay en cada momento.
En este análisis, DES contrastó dos modelos del universo con sus datos. Existe el modelo estándar de cosmología actualmente aceptado —materia oscura fría Lambda (ΛCDM)—, en el que la densidad de energía oscura es constante. También existe un modelo extendido —wCDM—, en el que la densidad de energía oscura evoluciona con el tiempo.
DES descubrió que sus datos se alineaban en gran medida con el modelo estándar de cosmología. Sus datos también se ajustaban al modelo de energía oscura en evolución, pero no mejor que al modelo estándar.
Sin embargo, un parámetro sigue siendo erróneo. Basándose en mediciones del universo primitivo, tanto el modelo estándar como el de energía oscura en evolución predicen cómo se agrupa la materia en el universo en momentos posteriores. En análisis anteriores, se descubrió que la agrupación de galaxias era diferente de lo previsto. Cuando DES incorporó los datos más recientes, la brecha se amplió, pero aún no hasta el punto de asegurar que el modelo estándar de cosmología sea incorrecto. La diferencia persistió incluso cuando DES combinó sus datos con los de otros experimentos.
Próximamente, DES combinará este trabajo con las restricciones más recientes de otros experimentos de energía oscura para investigar modelos alternativos de gravedad y energía oscura. Este análisis también es importante porque allana el camino para que el nuevo Observatorio Vera C. Rubin de la NSF-DOE recopile datos complementarios durante su Estudio del Legado del Espacio y el Tiempo (LSST), de una década de duración. LSST es un estudio profundo y amplio que catalogará alrededor de 20 mil millones de galaxias en todo el cielo del hemisferio sur. Los datos pueden combinarse con los de estudios como DES para permitir mediciones de alta precisión de parámetros cosmológicos que refinarán aún más nuestra comprensión de la energía oscura y la historia de la expansión del universo.
«DES ha sido transformador, y el Observatorio Vera C. Rubin de la NSF-DOE nos llevará aún más lejos», afirmó Chris Davis, director del programa de la NSF para NOIRLab. «El estudio sin precedentes del cielo austral realizado por Rubin permitirá realizar nuevas pruebas de gravedad y arrojar luz sobre la energía oscura».
Con información de arXiv
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