Con 5.000 pequeños robots en un telescopio en la cima de una montaña, los investigadores pueden mirar 11 mil millones de años en el pasado. La luz de objetos lejanos en el espacio acaba de llegar al Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), lo que nos permite mapear nuestro cosmos tal como era en su juventud y rastrear su crecimiento hasta lo que vemos hoy.
Comprender 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.
Para estudiar los efectos de la energía oscura durante los últimos 11 mil millones de años, DESI ha creado el mapa 3D más grande de nuestro cosmos jamás construido, con las mediciones más precisas hasta la fecha. Esta es la primera vez que los científicos miden la historia de expansión del universo joven con una precisión superior al 1%, lo que nos brinda nuestra mejor visión hasta ahora de cómo evolucionó el universo.
Los investigadores compartieron el análisis de su primer año de datos recopilados en varios artículos que se publicarán hoy en arXiv. servidor de preimpresión y en charlas en la reunión de la American Physical Society en Estados Unidos y en los Rencontres de Moriond en Italia.
"Estamos increíblemente orgullosos de los datos, que han producido resultados cosmológicos líderes en el mundo y son los primeros en surgir de la nueva generación de experimentos de energía oscura", dijo Michael Levi, director de DESI y científico del Lawrence del Departamento de Energía. Laboratorio Nacional de Berkeley (Berkeley Lab), que gestiona el proyecto.
"Hasta ahora, estamos viendo un acuerdo básico con nuestro mejor modelo del universo, pero también estamos viendo algunas diferencias potencialmente interesantes que podrían indicar que la energía oscura está evolucionando con el tiempo. Estas pueden desaparecer o no con más datos, por lo que estamos entusiasmados de comenzar a analizar nuestro conjunto de datos de tres años pronto".
Nuestro modelo líder del universo se conoce como Lambda CDM. Incluye tanto un tipo de materia que interactúa débilmente (materia oscura fría o CDM) como energía oscura (Lambda). Tanto la materia como la energía oscura dan forma a la expansión del universo, pero de maneras opuestas. La materia y la materia oscura frenan la expansión, mientras que la energía oscura la acelera. La cantidad de cada uno influye en cómo evoluciona nuestro universo. Este modelo hace un buen trabajo al describir los resultados de experimentos anteriores y cómo se ve el universo a lo largo del tiempo.
Sin embargo, cuando los resultados del primer año de DESI se combinan con datos de otros estudios, existen algunas diferencias sutiles con lo que predeciría Lambda CDM. A medida que DESI recopile más información durante su encuesta de cinco años, estos primeros resultados se volverán más precisos, arrojando luz sobre si los datos apuntan a explicaciones diferentes para los resultados que observamos o la necesidad de actualizar nuestro modelo.
Más datos también mejorarán otros resultados iniciales de DESI, que ponderan la constante de Hubble (una medida de qué tan rápido se está expandiendo el universo hoy) y la masa de partículas llamadas neutrinos.
"Ningún experimento espectroscópico ha tenido tanta información antes, y seguimos recopilando datos de más de un millón de galaxias cada mes", dijo Nathalie Palanque-Delabrouille, científica del Laboratorio de Berkeley y coportavoz del experimento.
"Es sorprendente que con sólo nuestro primer año de datos, ya podamos medir la historia de expansión de nuestro universo en siete segmentos diferentes del tiempo cósmico, cada uno con una precisión del 1 al 3%. El equipo realizó una enorme cantidad de trabajo para tener en cuenta las complejidades del modelado instrumental y teórico, lo que nos da confianza en la solidez de nuestros primeros resultados".
La precisión general de DESI sobre la historia de la expansión a lo largo de los 11 mil millones de años es del 0,5%, y la época más distante, que abarca hace entre 8 y 11 mil millones de años, tiene una precisión récord del 0,82%. Esa medición de nuestro joven universo es increíblemente difícil de hacer.
Sin embargo, en un año, DESI se ha vuelto dos veces más poderoso para medir la historia de la expansión en estos primeros tiempos que su predecesor (el BOSS/eBOSS de Sloan Digital Sky Survey), que tomó más de una década.
"Estamos encantados de ver los resultados cosmológicos del primer año de operaciones de DESI", dijo Gina Rameika, directora asociada de Física de Altas Energías del DOE. "DESI continúa sorprendiéndonos con su desempeño estelar y ya está dando forma a nuestra comprensión del universo."
DESI es una colaboración internacional de más de 900 investigadores de más de 70 instituciones de todo el mundo. El instrumento se encuentra encima del Telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en el Observatorio Nacional Kitt Peak, un programa de NOIRLab de NSF.
Al observar el mapa de DESI, es fácil ver la estructura subyacente del universo:cadenas 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 densa y caliente de partículas subatómicas que se movían demasiado rápido para formar materia estable como los átomos que conocemos hoy. Entre esas partículas se encontraban núcleos de hidrógeno y helio, llamados colectivamente bariones.
Pequeñas fluctuaciones en este plasma ionizado temprano causaron ondas de presión, moviendo los bariones en un patrón de ondas similar a lo que verías si arrojaras un puñado de grava a un estanque. A medida que el universo se expandió y enfrió, se formaron átomos neutros y las ondas de presión se detuvieron, congelando las ondas en tres dimensiones y aumentando la agrupación de futuras galaxias en las áreas densas.
Miles de millones de años después, todavía podemos ver este tenue patrón de ondas o burbujas tridimensionales en la separación característica de las galaxias, una característica llamada oscilaciones acústicas bariónicas (BAO).
Los investigadores utilizan las mediciones de BAO como regla cósmica. Midiendo el tamaño aparente de estas burbujas, pueden determinar las distancias a la materia responsable de este patrón extremadamente tenue en el cielo. Mapear las burbujas de BAO tanto cerca como lejos permite a los investigadores dividir los datos en partes, medir qué tan rápido se expandió el universo en cada momento de su pasado y modelar cómo la energía oscura afecta esa expansión.
"Hemos medido la historia de la expansión en este enorme rango de tiempo cósmico con una precisión que supera todos los estudios BAO anteriores combinados", dijo Hee-Jong Seo, profesor de la Universidad de Ohio y codirector del análisis BAO de DESI. "Estamos muy entusiasmados de saber cómo estas nuevas mediciones mejorarán y alterarán nuestra comprensión del cosmos. Los humanos sentimos una fascinación eterna por nuestro universo y queremos saber de qué está hecho y qué le sucederá". P>
Usar galaxias para medir la historia de la expansión y comprender mejor la energía oscura es una técnica, pero sólo puede llegar hasta cierto punto. En cierto punto, la luz de las galaxias típicas es demasiado débil, por lo que los investigadores recurren a los quásares, núcleos galácticos brillantes y extremadamente distantes con agujeros negros en sus centros. La luz de los quásares se absorbe a medida que pasa a través de nubes intergalácticas de gas, lo que permite a los investigadores mapear las bolsas de materia densa y usarlas de la misma manera que usan las galaxias, una técnica conocida como "bosque de Lyman-alfa".
"Usamos los quásares como luz de fondo para ver básicamente la sombra del gas intermedio entre los quásares y nosotros", dijo Andreu Font-Ribera, científico del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en España, que codirige el estudio Lyman- Análisis de bosque alfa. "Nos permite mirar más allá, cuando el universo era muy joven. Es una medición realmente difícil de realizar y es genial ver cómo funciona".
Los investigadores utilizaron 450.000 quásares, el conjunto más grande jamás recopilado para estas mediciones del bosque Lyman-alfa, para ampliar sus mediciones de BAO hasta hace 11 mil millones de años. Al final del estudio, DESI planea mapear 3 millones de cuásares y 37 millones de galaxias.
Ciencia de última generación
DESI es el primer experimento espectroscópico que realiza un "análisis completamente ciego", que oculta el verdadero resultado a los científicos para evitar cualquier sesgo de confirmación subconsciente. Los investigadores trabajan en la oscuridad con datos modificados y escriben el código para analizar sus hallazgos. Una vez que todo está finalizado, aplican su análisis a los datos originales para revelar la respuesta real.
"La forma en que hicimos el análisis nos da confianza en nuestros resultados, y particularmente en mostrar que el bosque Lyman-alfa es una herramienta poderosa para medir la expansión del universo", dijo Julien Guy, científico del Laboratorio Berkeley y codirector del estudio. procesando información de los espectrógrafos de DESI.
"El conjunto de datos que estamos recopilando es excepcional, al igual que el ritmo al que los recopilamos. Esta es la medición más precisa que he hecho en mi vida".
Los datos de DESI se utilizarán para complementar futuros estudios del cielo, como los del Observatorio Vera C. Rubin y el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace, y para prepararse para una posible actualización de DESI (DESI-II) recomendada en un informe reciente de U.S. Particle Panel de Priorización de Proyectos de Física.
"Estamos en la era dorada de la cosmología, con estudios a gran escala en curso y a punto de iniciarse, y nuevas técnicas en desarrollo para aprovechar al máximo estos conjuntos de datos", afirmó Arnaud de Mattia, investigador de la organización francesa de Energías Alternativas y Comisión de Energía Atómica (CEA) y colíder del grupo DESI que interpreta los datos cosmológicos.
"Todos estamos realmente motivados para ver si los nuevos datos confirmarán las características que vimos en nuestra muestra del primer año y construirán una mejor comprensión de la dinámica de nuestro universo".
Más información: Los documentos DESI Año 1 están disponibles en el sitio web de DESI:https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/
Información de la revista: arXiv
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
