- Los últimos resultados combinan lentes gravitacionales débiles y el agrupamiento de galaxias, e integran por primera vez cuatro medidas de energía oscura en un único experimento.
- Investigadores del Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC), el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC,IEEC) y el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) han participado en el análisis científico de los datos.
La colaboración DES (Dark Energy Survey) presenta resultados que combinan, por primera vez, medidas de lentes gravitacionales débiles y de agrupamiento de galaxias utilizando los seis años completos de datos. En el artículo, que resume 18 trabajos científicos de apoyo, también se presentan los primeros resultados obtenidos al combinar las cuatro medidas —oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), supernovas de tipo Ia, cúmulos de galaxias y lentes gravitacionales débiles— tal como se propuso en la concepción inicial de DES hace 25 años.
«DES muestra realmente cómo podemos utilizar múltiples sondas diferentes a partir de los mismos datos. Creo que eso es muy potente», afirmó Martin Crocce, profesor investigador asociado del Instituto de Ciencias del Espacio en Barcelona y co-coordinador del análisis. «Es la única vez que se ha hecho en la generación actual de experimentos de energía oscura».
El análisis ofrece nuevas restricciones, más precisas, que reducen el abanico de modelos posibles sobre la evolución del universo. Estas restricciones son más del doble de estrictas que las obtenidas en análisis anteriores de DES y siguen siendo coherentes con los resultados previos.
«Hay algo muy emocionante en reunir distintas sondas cosmológicas», señaló Chihway Chang, profesor asociado de la Universidad de Chicago y copresidente del comité científico de DES. «Es bastante singular de DES contar con la experiencia necesaria para hacerlo».
Imagen de DECam de un campo en la constelación austral de Lepus que muestra estrellas de la Vía Láctea (pequeños puntos de colores) y un grupo de galaxias (los objetos difusos de mayor tamaño) situado a unos 300 millones de años luz. La imagen corresponde a una pequeña fracción de una de las observaciones realizadas con la Dark Energy Camera. El análisis del DES mide las galaxias más débiles visibles en esta imagen. Créditos: Erin Sheldon y colaboración DES.
Cómo medir la energía oscura
Hace aproximadamente un siglo, los astrónomos observaron que las galaxias lejanas parecían alejarse de nosotros. De hecho, cuanto más distante es una galaxia, más rápido se aleja. Esto proporcionó la primera evidencia clave de que el universo se está expandiendo. Sin embargo, como el universo está dominado 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 frenarse. Para explicar estas observaciones, propusieron un nuevo tipo de energía responsable de impulsar esta expansión acelerada: la energía oscura. Actualmente, los astrofísicos creen que la energía oscura constituye alrededor del 70 % de la densidad de masa-energía del universo. Aun así, sabemos muy poco sobre ella.
En los años siguientes, los científicos comenzaron a diseñar experimentos para estudiar la energía oscura, entre ellos el Dark Energy Survey. 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 Fermi de Aceleradores del Departamento de Energía de Estados Unidos.
Para estudiar la energía oscura, la colaboración DES llevó a cabo un estudio profundo y de gran área del cielo entre 2013 y 2019. Fermilab construyó una cámara digital extremadamente sensible de 570 megapíxeles, DECam, y la instaló en el telescopio Blanco de 4 metros del Observatorio Interamericano Cerro Tololo de la Fundación Nacional de la Ciencia, en los Andes chilenos. Durante 758 noches a lo largo de seis años, la colaboración DES registró información de 669 millones de galaxias situadas a miles de millones de años luz de la Tierra, cubriendo una octava parte del cielo. Las instituciones españolas forman parte del proyecto desde su inicio en 2005 y, además de haber colaborado de manera destacada en el diseño, fabricación, pruebas e instalación de DECam y en la toma de datos, hoy en día tienen importantes responsabilidades en la explotación científica de los datos.
Para estos nuevos resultados, los científicos de DES ampliaron métodos que ellos mismos desarrollaron para utilizar lentes gravitacionales débiles y reconstruir de forma robusta la distribución de la materia en el universo. Para ello, analizaron tanto la probabilidad de que dos galaxias se encuentren a una determinada distancia entre sí como la de que presenten distorsiones similares causadas por las lentes gravitacionales débiles. Al reconstruir la distribución de la materia a lo largo de 6.000 millones de años de historia cósmica, estas mediciones permiten determinar cuánta materia oscura y energía oscura hay en cada momento.
«Una de las partes más emocionantes del análisis final del DES es el avance en la calibración de los datos», afirmó Alexandra Amon, co-líder del grupo de trabajo de lentes gravitacionales débiles de DES y profesora asistente de astrofísica en la Universidad de Princeton. «Las metodologías desarrolladas por nuestro equipo constituyen la base de los estudios de próxima generación».
En este análisis, DES comparó sus datos con dos modelos cosmológicos: el modelo estándar ΛCDM, con densidad de energía oscura constante, y un modelo extendido, wCDM, en el que esta densidad evoluciona con el tiempo. DES observó que sus datos concuerdan mayoritariamente con el modelo estándar de la cosmología. Los datos también se ajustan al modelo de energía oscura en evolución, pero no mejor que al modelo estándar.
Sin embargo, un elemento común a ambos modelos presenta una discrepancia llamativa. En análisis anteriores, el parámetro que describe cómo se agrupa la materia en el universo mostraba un valor distinto del predicho por ambos modelos a partir del agrupamiento observado en el universo temprano. En este nuevo análisis, al incorporar los datos más recientes, esa diferencia se amplió. La discrepancia persistió incluso cuando DES combinó sus datos con los de otros experimentos.
«Lo que estamos observando es que ambos modelos describen bien las observaciones del universo temprano y tardío, pero no de forma perfecta», explicó Judit Prat, co-líder del grupo de trabajo de lentes gravitacionales débiles del DES e investigadora Nordita en la Universidad de Estocolmo y el Instituto Real de Tecnología KTH (Suecia).
«El Dark Energy Survey es una historia de éxito en la cosmología española. Hay toda una generación que ha crecido científicamente en DES, y estamos preparados para liderar la siguiente generación de experimentos cosmológicos» comenta Santiago Ávila, que realizó su doctorado en el IFT, pasó una etapa postdoctoral en el IFAE y actualmente es científico titular en el CIEMAT.
Allanando el camino
A continuación, DES combinará este trabajo con las restricciones más recientes procedentes 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, financiado por la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos y la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, realice estudios similares con su Legacy Survey of Space and Time (LSST).
«Las mediciones serán cada vez más precisas en tan solo unos pocos años», afirmó Anna Porredon, co-líder del grupo de trabajo de Estructura a Gran Escala de DES y científica sénior del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) en Madrid. «Hemos dado un paso significativo en precisión, pero todas estas mediciones mejorarán mucho más con nuevas observaciones del Observatorio Rubin y otros telescopios. Es emocionante pensar que probablemente tendremos algunas respuestas sobre la energía oscura en los próximos 10 años».
El Dark Energy Survey es una colaboración de más de 400 científicos de 25 instituciones en siete países. Para más información acerca del proyecto, visiten la página web del experimento: https://www.darkenergysurvey.org/es/
España fue el primer grupo internacional en unirse a Estados Unidos para fundar, en 2005, el proyecto DES y participa a través de tres instituciones, dos de ellas en Barcelona (el Institut de Ciències de l’Espai (IEEC, CSIC), y el Institut de Física d’Altes Energies, IFAE) y una en Madrid (el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, CIEMAT), además de con investigadores del Instituto de Física Teórica, IFT (CSIC-UAM).
El Laboratorio Nacional Fermi de Aceleradores es el principal laboratorio nacional de Estados Unidos dedicado a la física de partículas y la investigación en aceleradores. El Fermi Forward Discovery Group gestiona Fermilab para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos.
Personas de contacto:
IFAE: Dr. Ramon Miquel, profesor ICREA, ramon.miquel@ifae.es
CIEMAT: Dr. Eusebio Sánchez, profesor de investigación, eusebio.sanchez@ciemat.es Dra. Anna Porredon investigadora Atracción de Talento César Nombela CAM, AnnaMaria.Porredon@ciemat.es
IFT-UAM/CSIC: Dr. Juan García-Bellido, catedrático, juan.garciabellido@uam.es
ICE/CSIC: Dr. Martín Crocce, investigador científico, crocce@ice.csic.es