Uno de los mayores misterios de la ciencia comenzó con una estrella moribunda.

No era una estrella moribunda en particular, sino la idea de una. En la década de 1980, Saul Perlmutter del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del Departamento de Energía (DOE) y sus colaboradores se dieron cuenta de que podían usar datos sobre supernovas para investigar la historia del universo. Las supernovas son estrellas explosivas extremadamente brillantes que arrojan gran parte de su masa al espacio antes de apagarse.

Afortunadamente, El brillo de las supernovas de tipo Ia es muy constante. Incluso cuando su brillo real varía, lo hace de una manera predecible. Al comparar las mediciones de cuán brillantes aparecen estas supernovas en los telescopios con su brillo real, junto con las mediciones de luz de sus galaxias de origen, los científicos pueden averiguar su edad y distancia de nosotros. Usando esos, pueden estimar cómo se ha expandido el universo con el tiempo.

En el transcurso de una década, El equipo de Perlmutter recopiló suficientes datos para buscar una relación entre el brillo de una supernova y la distancia a la Tierra. Esperaban ver que las supernovas muy distantes parecían un poco más brillantes de lo que lo harían en un universo en expansión que no desaceleraba su crecimiento.

Los datos revelaron algo completamente diferente.

Todas las supernovas parecían más tenues de lo que deberían a la distancia. En primer lugar, los científicos pensaron que era solo un extraño conjunto de datos. "Cuando veas un resultado nuevo e increíble, tu primer pensamiento no es '¡Eureka! ' su, 'Ese es un gráfico de aspecto interesante, '", dijo Perlmutter. Él y su equipo pasaron más de seis meses revisando todos los aspectos del gráfico, buscando algún aspecto del análisis que pueda estar equivocado.

No lo fue.

De hecho, mostró lo contrario:el universo se expandía cada vez más rápidamente. La implicación de esto fue dramática. Para que los datos funcionen con la teoría de la relatividad general de Einstein, la base de la astrofísica, el 70 por ciento de la energía del universo debe provenir de alguna fuente desconocida.

Algo, mucho de algo, faltaba en nuestra comprensión fundamental del universo.

Mientras Perlmutter se preparaba para una próxima conferencia, Hizo una serie de cambios en sus diapositivas de transparencia plástica para presentar los nuevos resultados. "Sabes que es muy grande, resultado significativo, pero eso te hace aún más cuidadoso, ", dijo." Para cuando lo digas en público, ha estado trabajando con él durante tanto tiempo que no se siente como una sorpresa para usted ".

Pero para la audiencia, su charla de 1998 causó un gran impacto. No mucho después, un equipo competidor presentó el mismo resultado. En 2011, Perlmutter, Brian Schmidt, y Adam Riess recibió el premio Nobel de física por el descubrimiento.

Porque no sabemos qué empuja al universo hacia afuera cada vez más rápido, "energía oscura" es la abreviatura de los científicos para el misterioso proceso. Para comprender la historia de nuestro universo, Los investigadores apoyados por la Oficina de Ciencias del DOE están colaborando con científicos de todo el mundo para construir mapas tridimensionales elaborados del espacio y el tiempo.

Considerando las posibilidades

Cualquiera que sea la energía oscura, es raro. Ninguna de las posibilidades se ajusta a la comprensión de la física por parte de los científicos.

La primera posibilidad es que sea la "constante cosmológica". Cuando Albert Einstein desarrolló las ecuaciones que describen la relatividad general, asumió que el universo se mantendría del mismo tamaño. Para contrarrestar la gravedad que tira hacia adentro del universo, se metió en una variable, la constante cosmológica, indicando que algo estaba empujando hacia afuera. Cuando Edwin Hubble descubrió que el universo se estaba expandiendo, Einstein eliminó la constante. Cuando encontraron que hay algo misterioso empujando hacia afuera, los científicos volvieron a la idea de Einstein. Desafortunadamente, los números de los datos experimentales son 10 ¹²⁰ veces menor que las expectativas de una constante cosmológica en las ecuaciones.

Hay dos posibilidades más. La segunda es que la energía oscura es una forma desconocida de energía que cambia con el tiempo. La tercera posibilidad es que la relatividad general no explica lo que sucede en las escalas más grandes. En lugar de, sería una aproximación de una teoría aún más general. Eso arrojaría una llave inglesa a uno de nuestros pilares más exitosos de la astrofísica.

Más que el comienzo del universo

Averiguar cómo ha cambiado la estructura del universo con el tiempo puede ayudar a los científicos a determinar si la energía oscura es constante o no.

Los científicos ya saben cómo era el universo en sus primeros días, hace unos 10 mil millones de años. Han estudiado el fondo cósmico de microondas, un conjunto de firmas de calor débiles que quedaron de ese momento. Al examinar esta radiación persistente, los científicos pueden calcular los patrones de densidad y radiación en ese entonces.

Descubrir lo que sucedió desde hace 10 mil millones de años en adelante, esa es la parte difícil. Agradecidamente, los científicos tienen disponible algo parecido a viajes en el tiempo cuando se trata de objetos que están extremadamente lejos. Porque la luz tarda en llegar a la Tierra, Los telescopios extremadamente poderosos no miran las estrellas modernas. En lugar de, los científicos están viendo cómo esas estrellas se veían miles, millones e incluso hace miles de millones de años, dependiendo de lo lejos que estén. Mirar hacia atrás a estrellas cada vez más distantes les permite crear mapas que están mapeando la longitud, ancho, y distancia en el tiempo.

Cómo medir el universo

Para un mapa de este tipo, los científicos necesitan herramientas especiales basadas en las propias estrellas y galaxias.

Las supernovas de tipo Ia son la primera opción. El uso de este método requiere que los científicos tomen nuevas medidas de supernovas con mucha mayor precisión en un rango más amplio de distancias. "Casi toda la amplia gama de teorías se ajusta a los datos y no se distinguirían entre sí, excepto con muy, mediciones de muy alta precisión, "dijo Perlmutter.

Aunque la Oficina de Ciencias del DOE apoya varios proyectos que pueden realizar estas mediciones de alta precisión, también son necesarias otras técnicas. Por algo que está tan fuera del ámbito de la física conocida, los científicos quieren múltiples métodos para comparar resultados.

La siguiente herramienta es analizar la Oscilación Acústica Bariónica (BAO). Como el fondo cósmico de microondas, el BAO es un remanente de los primeros días del universo. No mucho después del Big Bang, el plasma que lo componía todo se expandió, creando ondas de densidad y presión. Aproximadamente 370, 000 años después, el plasma enfriado, "congelando" las ondas de presión. Las olas en cresta dejaron grumos de materia al principio y al final. A medida que el universo crecía esos patrones de ondas se estiraron.

Ahora, los patrones están impresos en la distribución de toda la materia. Al observar cómo los patrones del fondo cósmico de microondas (que reflejan el comienzo del universo) son diferentes de los patrones de BAO (que reflejan el universo medio y actual), los científicos pueden mapear cambios en la distribución de la materia a lo largo del tiempo. "Se basa en la física fundamental desde el comienzo del universo, "dijo Parker Fagrelius, un investigador de LBNL.

Si eso no fuera lo suficientemente alucinante, una técnica diferente llamada lente gravitacional débil mide cómo los objetos masivos distorsionan la forma de las galaxias. Las galaxias son tan grandes que doblan el espacio, junto con la luz de otras galaxias detrás de ellos. Cuando un telescopio en la Tierra toma una foto de las galaxias de fondo, sus formas se estiran en comparación con sus formas verdaderas. Midiendo esta pequeña distorsión en la forma de las galaxias de fondo en diferentes posiciones, los científicos pueden calcular la masa de los de primer plano. Esta técnica también puede ayudarlos a mapear la distribución de la materia, incluyendo tanto la materia visible como la oscura. "Es una de las formas más limpias de medir la masa, "dijo María Elidaiana da Silva Pereira, un investigador de la Universidad de Brandeis que trabaja en Dark Energy Survey.

La última opción es medir las propiedades de los cúmulos de galaxias, o grupos de galaxias. Los cúmulos más grandes revelan dónde el universo primitivo era más denso. "Pueden decirnos mucho sobre el crecimiento y la formación de estructuras en el universo, "dijo Antonella Palmese, investigador del Fermi National Accelerator Laboratory del DOE.

No es tu cámara digital promedio

Los científicos también pueden elegir entre opciones cuando se trata de tomar datos.

Los estudios de imágenes son telescopios con cámaras digitales gigantes. Toman grandes amplias fotografías del cielo que incluyen un gran número de galaxias y supernovas. Los científicos analizan el brillo y el color de los objetos, lo que les da información sobre su distancia y masa.

La Encuesta de Energía Oscura, que cuenta con el apoyo de un grupo internacional que incluye la Oficina de Ciencias del DOE, proporciona el conjunto de datos de imágenes más completo disponible. Estas imágenes provienen de una cámara de 520 megapíxeles; en comparación, Las cámaras de apuntar y disparar tienen entre 16 y 20 megapíxeles. Montado en un telescopio en Chile, la Dark Energy Camera tomó fotografías de aproximadamente una cuarta parte del cielo del sur durante cinco años. Cuando terminó de tomar datos en enero de 2019, tenía fotos de más de 300 millones de galaxias, decenas de miles de cúmulos de galaxias, y varios miles de supernovas de Tipo Ia. "No había nada tan poderoso como el Dark Energy Survey en términos de número de galaxias y cúmulos de galaxias, "dijo Palmese.

Mirar tantas galaxias les dio a los científicos una mirada sin precedentes a las lentes gravitacionales débiles. El equipo realizó la medición más precisa de cómo se distribuye la materia en el universo hasta ahora. Con esas observaciones, ejecutaron un modelo de un universo compuesto de energía oscura y materia oscura como si la energía oscura fuera constante en el tiempo (que sería si fuera la constante cosmológica) y si no lo fuera (alguna otra fuerza). Si los resultados de los modelos que utilizan los datos de Dark Energy Survey y los resultados del fondo cósmico de microondas coincidieron, habría confirmado que el modelo de constante cosmológica funciona bien. En otras palabras, mostraría que la energía oscura es una constante cosmológica.

Los resultados fueron cercanos, pero no iguales. Mientras los datos se inclinaban hacia la constante, no fue lo suficientemente fuerte como para decir si existe una discrepancia real entre la cantidad de materia medida por el Dark Energy Survey y los resultados de fondo de microondas cósmico. Eso podría indicar algunos problemas con el modelo en sí.

La próxima gran cosa

A diferencia de las cámaras digitales de los estudios por imágenes, Los estudios espectroscópicos tienen haces de cables de fibra óptica, cada uno de los cuales recoge luz de una galaxia diferente. Estos paquetes proporcionan tipos de información sobre las longitudes de onda de luz visibles y no visibles que son diferentes de lo que los científicos pueden obtener de las fotografías. Esta información ofrece detalles precisos sobre la distancia y la velocidad de un objeto. Sin embargo, un levantamiento espectroscópico solo puede tomar datos sobre una fracción de los objetos que un levantamiento de imágenes puede tomar.

El Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) es el siguiente paso adelante. Un instrumento espectroscópico instalado en el telescopio Mayall en Arizona, DESI comenzará a recopilar datos del cielo del norte a principios del próximo año. Lo que hace que DESI sea único en comparación con las encuestas anteriores es la gran cantidad de datos que puede tomar. Podrá recopilar datos sobre el espectro de luz desde el ultravioleta hasta el infrarrojo en 5, 000 galaxias simultáneamente.

"Realmente abre la línea de tiempo cosmológica, "dijo Fagrelius, quien ha trabajado en el proyecto durante gran parte de su carrera. "Es realmente emocionante." DESI debería dar resultados para el BAO que son tres veces más precisos que todos los cálculos anteriores combinados, así como datos detallados sobre lentes y cúmulos de galaxias. La combinación de estos resultados podría darnos la mejor idea hasta ahora de cómo se ha comportado la energía oscura a lo largo del tiempo.

Con estas herramientas, así como con el Gran Telescopio de Levantamiento Sinóptico, que se espera que se lance en Chile en 2023, los científicos anticipan concretar una descripción precisa de la energía oscura.

Pero es probable que la investigación plantee más preguntas de las que responde. Después de todo, esta investigación comenzó porque Perlmutter y su equipo estaban tratando de averiguar cuánto se estaba desacelerando la expansión del universo. Nunca esperaron encontrar lo contrario.

"Lo que me entusiasma es lo que no esperamos ver, "dijo Fagrelius." Con esta cantidad de datos, vamos a descubrir cosas que no sabíamos que estábamos buscando ".