Con 5.000 robots diminutos en un telescopio situado en lo alto de una montaña, los investigadores pueden mirar 11.000 millones de años hacia el pasado.

La luz de objetos lejanos en el espacio está llegando ahora al Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), lo que nos permite cartografiar nuestro cosmos tal y como era en su juventud y seguir su crecimiento hasta lo que vemos hoy.

Ahora, gracias al mayor mapa tridimensional de nuestro cosmos jamás construido, la colaboración DESI ha realizado las mediciones más precisas hasta la fecha de la velocidad a la que se ha expandido el universo a lo largo de su historia. Entender cómo ha evolucionado nuestro universo está ligado a cómo termina, y a uno de los mayores misterios de la física: la energía oscura, el ingrediente desconocido que hace que nuestro universo se expanda cada vez más rápido.

Los investigadores, incluidos científicos de la Universidad de Michigan, compartieron el análisis de su primer año de datos recopilados en múltiples estudios publicados en el repositorio de acceso abierto arXiv y en charlas en la Reunión de la Sociedad Americana de Física en Estados Unidos y en los Rencontres de Moriond en Italia.

DESI ha trazado la historia de la expansión del universo en los últimos 11.000 millones de años con una precisión sin precedentes. Al hacerlo, ha proporcionado nuevos conocimientos sobre el comportamiento de la energía oscura que causa la expansión acelerada actual y cuya naturaleza física sigue siendo un misterio clave, afirmó el físico de la UM Dragan Huterer. En los próximos años, DESI proporcionará nueva información de valor incalculable sobre cómo funciona nuestro universo.

Nuestro principal modelo del universo se conoce como Lambda CDM. Incluye tanto materia normal como oscura («materia oscura fría» o CDM) y energía oscura (Lambda). Tanto la materia como la energía oscura determinan la expansión del universo, pero de forma opuesta. La materia ralentiza la expansión, mientras que la energía oscura la acelera. La cantidad de cada una influye en la evolución del universo. Este modelo describe bien una gran variedad de observaciones cosmológicas.

Sin embargo, cuando los resultados del primer año del DESI se combinan con datos de otros estudios, se observan algunas diferencias sutiles con lo que predeciría Lambda CDM. A medida que DESI recopile más información durante sus cinco años de estudio, estos primeros resultados serán más precisos y arrojarán luz sobre si los datos apuntan a explicaciones diferentes de los resultados que observamos o a la necesidad de actualizar nuestro modelo. Más datos también mejorarán otros resultados iniciales de DESI, que se refieren a la constante de Hubble (una medida de la velocidad a la que se expande el universo hoy en día) y a la masa de unas partículas llamadas neutrinos.

La precisión global de DESI sobre la historia de la expansión a lo largo de los 11.000 millones de años es del 0,5%, y la época más lejana, que abarca de 8.000 millones a 11.000 millones de años en el pasado, tiene una precisión récord del 0,82%. Según Gregory Tarlé, físico de la UM, esta medida de nuestro joven universo es increíblemente difícil de realizar.

Después de más de una década construyendo DESI, es gratificante ver los primeros resultados cosmológicos, afirma. Me ha sorprendido lo significativos e intrigantes que son los resultados en esta fase inicial del proyecto.

Tarlé dirigió el proyecto de construcción de los 5.000 robots que colocaron fibras ópticas en las galaxias de interés, mientras que Huterer coordina el esfuerzo para producir restricciones en el modelo cosmológico a partir de los datos de DESI. El investigador de la UM Michael Schubnell, científico del plano focal del proyecto, es el responsable de garantizar el funcionamiento óptimo del instrumento.

Comparado con la mayoría de los instrumentos de los telescopios, DESI es extremadamente complejo, con muchas piezas móviles, explica Schubnell. Como DESI es todo estadística, cada minuto cuenta.

Varias veces por noche, los 5.000 posicionadores robóticos de DESI colocan las fibras ópticas en su lugar para captar la luz de galaxias y objetos extremadamente distantes llamados cuásares. La luz se divide en sus colores (o longitudes de onda) mediante unos equipos llamados espectrógrafos, y las características de esos «espectros» pueden utilizarse para averiguar la velocidad y la distancia de las galaxias que se alejan a toda velocidad de nosotros.

Viajar en el tiempo

DESI es fruto de la colaboración internacional de más de 900 investigadores de más de 70 instituciones de todo el mundo, y el proyecto está gestionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del DOE. El instrumento se construyó y opera con financiación de la Oficina de Ciencia del DOE, y está situado sobre el telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall de la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU., en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, un programa del NOIRLab de la NSF.

Observando el mapa de DESI, es fácil ver la estructura subyacente del universo: hileras de galaxias agrupadas, separadas por vacíos con menos objetos. Nuestro universo primitivo, mucho más allá de la visión de DESI, era bastante diferente: una sopa caliente y densa de partículas subatómicas que se movían demasiado rápido para formar materia estable como los átomos que conocemos hoy en día. Entre esas partículas se encontraban los núcleos de hidrógeno y helio, llamados bariones.

Pequeñas fluctuaciones en este primer plasma ionizado provocaron ondas de presión, moviendo los bariones en un patrón de ondulaciones similar al que se vería al arrojar un puñado de grava a un estanque. A medida que el universo se expandió y se enfrió, se formaron átomos y las ondas de presión se detuvieron, congelando las ondulaciones en tres dimensiones y aumentando la agrupación de futuras galaxias en las zonas densas… Miles de millones de años después, aún podemos ver este tenue patrón de ondulaciones tridimensionales en la separación característica de las galaxias, un rasgo denominado Oscilaciones Acústicas de Bariones.

Los investigadores utilizan las mediciones de BAO como una regla cósmica. Comparando el tamaño aparente de estas burbujas, pueden determinar las distancias a la materia responsable de este patrón extremadamente tenue en el cielo. La cartografía de las burbujas BAO, tanto cercanas como lejanas, permite a los investigadores dividir los datos en trozos, medir la velocidad a la que se expandía el universo en cada momento de su pasado y modelizar cómo afecta la energía oscura a esa expansión.

Utilizar las galaxias para medir la historia de la expansión y comprender mejor la energía oscura es una técnica, pero sólo puede llegar hasta cierto punto. A partir de cierto punto, la luz de las galaxias típicas es demasiado débil, por lo que los investigadores recurren a los cuásares, núcleos galácticos extremadamente distantes y brillantes con agujeros negros en sus centros. La luz de los cuásares se absorbe al atravesar las nubes intergalácticas de gas, lo que permite a los investigadores cartografiar las bolsas de materia densa y utilizarlas del mismo modo que utilizan las galaxias.

Los investigadores utilizaron 450.000 cuásares, el mayor conjunto jamás recogido, para ampliar sus mediciones de BAO hasta 11.000 millones de años en el pasado. Al final del estudio, DESI prevé cartografiar 3 millones de cuásares y 37 millones de galaxias.

Más allá de la energía oscura

DESI es el primer experimento espectroscópico que realiza un «análisis ciego» completo, que oculta el verdadero resultado a los científicos para evitar cualquier sesgo subconsciente de confirmación. Los investigadores trabajan en la oscuridad con datos modificados, escribiendo el código para analizar sus hallazgos. Una vez que todo está listo, aplican su análisis a los datos originales para revelar la respuesta real.

El investigador de física de la UM Uendert dos Santos Andrade ayudó a desarrollar y validar una metodología diseñada para mitigar el sesgo de confirmación. Es coautor del artículo que valida este enfoque.

Nuestra estrategia, que consiste en «cegar» nuestro análisis cosmológico a los sesgos del experimentador, ha demostrado su eficacia a la hora de mantener la integridad de nuestros hallazgos, afirma Andrade. La esencia de nuestros hallazgos científicos gira en torno al enigmático papel de la energía oscura en el universo, es decir, como impulsora de la aceleración cósmica. Participar en DESI, que reúne datos de una potencia sin precedentes, tanto en cantidad como en detalle, ha sido una experiencia profundamente inspiradora para mí, ya que formo parte de un proyecto que puede desvelar uno de los mayores misterios de la ciencia: la energía oscura.

Sikandar Hanif, estudiante de física de la UM y coautor de los estudios, utilizó métodos de aprendizaje automático para ayudar a crear simulaciones realistas o datos simulados utilizados para probar el proceso de análisis de DESI que luego se utiliza con datos reales.

Como instrumento real y físico, DESI está sujeto a limitaciones tangibles, como el tamaño de sus 5.000 fibras y el hecho de que dos o más galaxias en el cielo pueden estar más cerca entre sí de lo que dos fibras para observarlas ambas pueden colocarse de forma realista, dijo Hanif. El aprendizaje automático nos ofrece una forma rápida de tener en cuenta esa ‘asignación de fibras’ para datos simulados realistas, cuantificando cómo se ve afectada la observación de cada objetivo.

Al catalogar el cosmos con tanta precisión, DESI es una poderosa herramienta para estudiar la energía oscura a través del tiempo. Esa fidelidad también es útil para los estudios de la materia oscura, la masa de los neutrinos y cómo se desarrollan las galaxias individuales a lo largo del tiempo. También proporciona información esencial sobre el polvo que rodea nuestra propia Vía Láctea, que influye en muchas de las demás mediciones astronómicas.

Una de las cosas más emocionantes es lo cerca que estamos de aprender algo nuevo sobre los neutrinos. Estas partículas son tan ligeras e interactúan tan débilmente con todo lo demás, pero aún así, en escalas cósmicas pueden afectar a la expansión del universo, dijo Otávio Alves, estudiante de posgrado en física de la U-M y coautor de los estudios. DESI está caracterizando esa expansión con tal precisión que nos ayuda a establecer límites estrictos sobre lo masivos que pueden ser los neutrinos basándonos en datos cosmológicos, y esa información es complementaria a la que pueden proporcionar actualmente los experimentos de física de partículas.

Alves ayudó a estimar la incertidumbre de las mediciones del grupo. Caracterizar correctamente las limitaciones instrumentales y observacionales que conducen a esas incertidumbres es crucial, y la mayor parte de mi trabajo ha consistido en demostrar que podemos hacerlo de forma sólida, afirmó Alves. Con una evaluación adecuada de nuestra precisión, ahora podemos comparar nuestros resultados con otros y juzgar hasta qué punto son compatibles.

El investigador en física de la UM Johannes Lange codirige un gran grupo de trabajo dentro de DESI que explora lo que los investigadores pueden aprender de DESI en combinación con otros experimentos cosmológicos de vanguardia.

Lo más emocionante para mí es ver cómo se unen años de trabajo y DESI cumple su promesa de proporcionarnos nuevos conocimientos sobre las propiedades de la energía oscura, afirma Lange. Estas formas adicionales de investigar este asombroso conjunto de datos, junto con muchos años de datos de DESI aún por analizar, nos dan mucho por lo que estar entusiasmados.

Los estudiantes de posgrado de la UM Jiaming Pan y Tianke Zhuang y el investigador Minh Nguyen también contribuyeron al análisis cosmológico de DESI, utilizando técnicas de análisis estadístico de vanguardia para extraer las restricciones cosmológicas de los datos de DESI.

Fuentes

Lauren Biron, The most precise measurement of our expanding universe (University of Michigan) | DESI Early Data Release Studies

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