¿De qué está hecho el universo?

Mientras el Estudio de Energía Oscura (DES) publica sus resultados finales, conversamos con dos físicos que han participado en el proyecto desde sus inicios. En esta sesión de preguntas y respuestas, Josh Frieman, cofundador del DES y director asociado del laboratorio de física fundamental del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, y Risa Wechsler, directora del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología, analizan lo que este esfuerzo de una década nos ha enseñado y cómo nos prepara para la misión de 10 años del Observatorio Vera C. Rubin de la NSF-DOE para explorar algunos de los mayores misterios del universo.

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

Frieman: La energía oscura es el nombre que damos a un fenómeno que explica por qué la expansión del universo se está acelerando en lugar de desacelerarse. Si solo la gravedad influyera, el universo debería estar desacelerándose porque la materia atrae materia. En cambio, existe un efecto gravitacionalmente repulsivo: la energía oscura.

Para que esto ocurra, la energía oscura debe representar aproximadamente el 70% de la cantidad total de masa-energía del universo actual (alrededor del 25% sería materia oscura y el 5% átomos, la materia de la que estamos hechos), lo que me indica que es algo que deberíamos intentar comprender.

Una de las ideas más antiguas sobre lo que podría ser la energía oscura se remonta a Einstein, quien añadió a sus ecuaciones la constante cosmológica, lo que hoy llamaríamos energía del vacío, la energía del espacio vacío. En la física clásica, esa energía sería cero, pero en la mecánica cuántica, incluso el espacio «vacío» tiene energía. Al calcular sus propiedades, esa energía se comporta igual que la energía oscura: si domina el universo, acelera la expansión.

Wechsler: Las observaciones muestran que la expansión que describe Josh comenzó a acelerarse aproximadamente a la mitad de la historia del universo, algo que la materia por sí sola no puede hacer.

El universo primitivo también era muy liso; hoy es grumoso, lleno de galaxias, estrellas y planetas. Nuestras teorías de la gravedad y la cosmología nos indican que la forma en que el universo se expande y se vuelve grumoso depende de su contenido. Medir ambos efectos observacionales con mayor precisión que en el pasado es una forma de comprender qué es realmente la energía oscura. Estos dos efectos motivaron el Estudio de la Energía Oscura y otros estudios cosmológicos que estamos realizando actualmente.

¿Cómo surgió la idea del Estudio de la Energía Oscura?

Frieman: Los primeros indicios de la energía oscura aparecieron a principios de la década de 1990, y esos indicios se convirtieron en evidencia mediante observaciones de tan solo unas pocas decenas de supernovas distantes a finales de esa década. Pero en aquel momento, fue suficiente para revelar que la expansión del universo se estaba acelerando, un descubrimiento que posteriormente le valió el Premio Nobel.

La pregunta era: ¿Qué es la energía oscura y cómo medimos sus propiedades? Como describe Risa, es necesario comprender tanto la historia de la expansión como el crecimiento de la estructura. Esto requiere un gran estudio cósmico de cientos de millones de galaxias, junto con miles de supernovas, la evidencia original de la expansión acelerada.

En 2003, empezamos a pensar en cómo lograrlo. Una motivación principal fue un nuevo telescopio de fondo cósmico de microondas que se estaba construyendo en el Polo Sur —el Telescopio del Polo Sur—, que cartografiaría aproximadamente una décima parte del cielo y mediría los cúmulos de galaxias como un sondeo de la energía oscura. Estaba claro que esto debía complementarse con un estudio óptico de la misma región.

Nos dimos cuenta de que dicho estudio óptico podía medir no solo cúmulos de galaxias, sino también supernovas, crecimiento estructural, agrupamiento de galaxias y lentes gravitacionales. De ahí surgió la idea del Estudio de Energía Oscura.

Nuestro enfoque fue ver qué se podía hacer de forma relativamente rápida y económica utilizando un telescopio existente en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo de la NSF en Chile y construyendo lo que, en ese momento, se convertiría en la cámara más grande del mundo para un estudio plurianual. Logramos reunir a la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y al Departamento de Energía para hacer realidad este proyecto.

¿Cómo ha participado SLAC en este proceso?

Wechsler: Empecé a participar en el Dark Energy Survey en 2003, cuando era investigador postdoctoral en la Universidad de Chicago y el proyecto apenas comenzaba. Éramos unos 30 en aquel momento. Tras presentar la propuesta inicial, la colaboración empezó a crecer lentamente.

Cuando me incorporé a SLAC en 2006, varias personas con formación en física de partículas estaban en transición hacia proyectos astrofísicos como el Observatorio Rubin y estaban entusiasmadas por trabajar en DES; era evidente que sería beneficioso trabajar antes en algo con datos.

Con los años, DES se convirtió en un verdadero centro de actividad en SLAC, con la contribución de varias generaciones de estudiantes y investigadores postdoctorales. Muchos investigadores jóvenes que ahora trabajan en Rubin dedicaron sus años de estudiante o postdoctorado aquí a DES y aplicaron todo lo aprendido a este nuevo estudio.

A lo largo del estudio, se han producido muchos descubrimientos. ¿Cuáles diría que fueron los más destacados? Frieman: El primer gran descubrimiento de DES fue la detección de dieciséis galaxias enanas en nuestro entorno cósmico. Aunque Risa y su grupo habían estado pensando en las galaxias enanas, no diseñamos DES para encontrarlas; el sondeo se creó para investigar la energía oscura. Resultó que el sondeo que creamos para estudiar la energía oscura también fue muy eficaz para descubrir galaxias enanas cercanas.

Wechsler: Desde mi perspectiva como científico que realiza simulaciones cosmológicas, esperábamos muchos de estos pequeños sistemas difusos alrededor de la Vía Láctea. El Sloan Digital Sky Survey acababa de empezar a detectar el primero de estos objetos antes del inicio de DES. Pero, como dijo Josh, DES no fue diseñado para esto.

Lo que no anticipamos fue lo poderosas que llegarían a ser estas estrellas enanas como sondas de materia oscura. Con el tiempo, aprendimos a usarlas para probar aspectos de la física de la materia oscura que de otro modo serían muy difíciles de acceder. Actualmente, son las sondas más sensibles para ciertas propiedades de la materia oscura que se pueden obtener a partir de observaciones astronómicas. Es una dirección emocionante la que estamos impulsando con los estudios de nueva generación.

Frieman: Hay varias otras áreas en las que DES ha realizado descubrimientos importantes. Un aspecto más reciente que destacaría —no lo llamaría un descubrimiento, sino una pista— es que ahora hay indicios de que la energía oscura podría no ser la constante cosmológica ni esta energía fija del vacío. Podría ser, en cambio, algo que cambia con el tiempo.

De ser así, el primer indicio real de que la energía oscura podría no ser constante provino de los resultados de la supernova de DES a principios de 2024. A estos les siguieron muy rápidamente nuevas mediciones del estudio DESI sobre la distribución de galaxias. Y al combinar ambos datos, se empieza a obtener una indicación de que la energía oscura podría estar evolucionando. Aún no sabemos si es un descubrimiento. Rubin, entre otros, lo acertará de una forma u otra. Pero para mí, fue emocionante porque DES se planeó para obtener las restricciones más estrictas posibles sobre la naturaleza de la energía oscura, y esto nos acerca a ello.

Wechsler: Por otro lado, se podría decir otra cosa: lo que hemos aprendido hasta ahora es que estamos muy, muy cerca de esta constante cosmológica.

Hemos probado este modelo muy bien y estamos a punto de ver si se rompe. Aún no estamos seguros. Veremos más cuando tengamos más datos. Pero se acerca mucho a este modelo que hemos tenido durante casi 27 años, el que hemos estado intentando romper.

Hasta ahora, diría que aún no se ha roto. Seguimos realizando mediciones mucho más precisas y siempre estamos intentando romper cosas. Creo que todos estaríamos encantados si estas pistas se convirtieran en un avance, pero aún no lo sabemos.

¿Cómo se basarán los próximos estudios como el Estudio del Legado del Espacio y el Tiempo (LSST) de Rubin en los descubrimientos de DES? ¿Y qué es lo que más le entusiasma del futuro de la energía oscura?
Frieman: Siempre he considerado a Rubin como el Estudio de la Energía Oscura con esteroides: es más grande en todas las dimensiones. Abarcará más cielo, irá más profundo y observará con una cadencia mucho más rápida que revelará todo tipo de transitorios. Y el volumen de datos será órdenes de magnitud mayor, lo que dificultará aún más todos los desafíos de análisis que mencionó Risa.

Uno de los logros de DES fue desarrollar las nuevas técnicas necesarias para analizar sus datos. Esos métodos le resultarán muy útiles a Rubin. Gran parte de la base para analizar estudios a gran escala se sentó con DES, y muchas de las técnicas utilizadas en los primeros años de Rubin serán técnicas de DES probadas en campo.

Gracias a su amplitud, velocidad y profundidad, Rubin explorará aspectos que nunca antes habíamos podido estudiar. En el dominio del tiempo, esencialmente creará una película del cielo austral. Preveo que veremos fenómenos raros que evolucionan en el tiempo y que nadie ha observado jamás. Y debido a que abarca un volumen tan grande, encontrará cosas que solo hemos visto una o dos veces, como supernovas con lentes gravitacionales. Hemos visto solo unas pocas; Rubin podría encontrar decenas o incluso cientos, abriendo nuevas vías para la cosmología.

Wechsler: Estoy de acuerdo. DES nos ayudó a desarrollar las herramientas que necesitamos para la cosmología moderna y para combinar diferentes tipos de mediciones. Algunos de los análisis de los resultados finales de DES no se imaginaron al principio; se desarrollaron con el tiempo. Esas técnicas son precisamente las que aplicaremos a los primeros análisis de Rubin.

Para el mapa «estático» del cielo, Rubin es similar en esencia a DES, solo que mucho más grande y profundo, con aproximadamente un orden de magnitud más de galaxias. Pero la parte del dominio temporal —la película del cielo— es completamente nueva. DES tenía una versión muy pequeña de esto, pero nada que se acercara a la escala o cadencia de Rubin. Rubin abrirá un espacio de descubrimiento que nunca hemos explorado. Parte de esto se relaciona con la energía oscura, como el hallazgo de muchas más supernovas, pero mucho va más allá.

Esperamos encontrar muchas más galaxias diminutas y los remanentes de galaxias que se fusionaron con el nuestro, y muchas cosas nuevas que nos revelen sobre la materia oscura, la formación de galaxias, las estrellas, los agujeros negros e incluso los objetos de nuestro propio sistema solar. Lo que más me entusiasma es el espacio de descubrimiento: las cosas en las que aún no hemos pensado.

Con información de  SLAC National Accelerator Laboratory