Ahora tenemos un modelo estándar de cosmología, la versión actual de la teoría del Big Bang. Aunque ha resultado muy exitoso, sus consecuencias son asombrosas. Sólo conocemos el 5% del contenido del universo, que es materia normal. El 95% restante lo componen dos entidades exóticas que nunca han sido producidas en laboratorio y cuya naturaleza física aún se desconoce.
Se trata de la materia oscura, que representa el 25% del contenido del cosmos, y la energía oscura, que aporta el 70%. En el modelo estándar de cosmología, la energía oscura es la energía del espacio vacío y su densidad permanece constante a lo largo de la evolución del universo.
Según esta teoría, las ondas sonoras se propagaban en el universo primitivo. En esas primeras etapas, el universo tenía una temperatura y densidad enormes. La presión en este gas inicial intentó separar las partículas que lo formaban, mientras que la gravedad intentó juntarlas, y la competencia entre ambas fuerzas creó ondas sonoras que se propagaron desde el inicio del universo hasta unos 400.000 años después del Big Bang. .
En ese momento, la radiación y la materia dejaron de interactuar y las ondas se congelaron, dejando una huella en la distribución espacial de la materia. Esta huella se observa como una pequeña acumulación preferencial de galaxias separadas por una distancia característica, llamada por los cosmólogos escala de Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO), y corresponde a la distancia recorrida por las ondas sonoras en esos 400.000 años.
El Dark Energy Survey (DES) acaba de medir la escala BAO cuando el universo tenía la mitad de su edad actual con una precisión del 2%, la determinación más precisa hasta ahora en una época tan temprana, y la primera vez que una medición basada únicamente en imágenes es competitiva. con grandes campañas de espectroscopia diseñadas específicamente para detectar esta señal.
La distancia que recorre la onda sonora en el universo primitivo depende de procesos físicos bien conocidos, por lo que puede determinarse con gran precisión, estableciendo un criterio para el universo. Es lo que los cosmólogos llaman regla estándar. En este caso, tiene una longitud de unos 500 millones de años luz.
Observando el ángulo que esta regla estándar subtiende en el cielo a diferentes distancias (o, en otras palabras, en diferentes épocas del universo), se puede determinar la historia de la expansión cósmica y, con ella, las propiedades físicas de la energía oscura. . En particular, se puede determinar analizando el fondo cósmico de microondas, la radiación liberada cuando se formaron los átomos, 400.000 años después del Big Bang, que nos ofrece una instantánea del universo primitivo, tal y como publicó la colaboración Planck en 2018.
También se puede determinar en el universo tardío estudiando la escala BAO en mapeos de galaxias como lo ha hecho DES. Analizar la consistencia de ambas determinaciones es una de las pruebas más exigentes del modelo estándar de cosmología.
“Es un orgullo ver cómo, tras casi veinte años de esfuerzo continuo, DES produce resultados científicos de la más alta relevancia en cosmología”, afirma Eusebio Sánchez, jefe del grupo de cosmología del CIEMAT. "Es una excelente recompensa al esfuerzo invertido en el proyecto."
"Lo que observamos es que las galaxias tienen una mayor tendencia a estar separadas entre sí por un ángulo de 2,90 grados en el cielo en comparación con otras distancias", comenta Santiago Ávila, investigador postdoctoral del IFAE y uno de los coordinadores del análisis. "¡Esa es la señal! La onda se puede ver claramente en los datos", añade, refiriéndose a la primera cifra. "Es una preferencia sutil, pero estadísticamente relevante", dice, "y podemos determinar el patrón de onda con una precisión del 2%. Como referencia, la luna llena ocupa medio grado de diámetro en el cielo. Entonces, si pudiéramos Para ver las galaxias a simple vista, la distancia BAO parecería seis lunas llenas."
Para medir la escala BAO, DES ha utilizado 16 millones de galaxias, distribuidas en una octava parte del cielo, que han sido especialmente seleccionadas para determinar a qué distancia se encuentran con suficiente precisión.
"Es importante seleccionar una muestra de galaxias que nos permita medir la escala BAO con la mayor precisión posible", afirma Juan Mena, quien realizó su doctorado. en el CIEMAT en este estudio y actualmente es investigador postdoctoral en el Laboratorio de Física Subatómica y Cosmología de Grenoble (Francia). "Nuestra muestra está optimizada para lograr un buen compromiso entre un mayor número de galaxias y la certeza con la que podemos determinar su distancia."
Las distancias cosmológicas son tan grandes que la luz tarda miles de millones de años en llegar hasta nosotros, permitiéndonos observar el pasado cósmico. La muestra de galaxias utilizada en este estudio abre una ventana al universo de hace siete mil millones de años, algo menos de la mitad de su edad actual.
"Una de las tareas más complicadas del proceso es limpiar la muestra de galaxias de contaminantes observacionales:distinguir entre galaxias y estrellas o mitigar los efectos de la atmósfera en las imágenes", dice Martín Rodríguez Monroy, investigador postdoctoral en el IFT de Madrid. .
Un hallazgo interesante de este estudio es que el tamaño que ocupan estas ondas en el cielo es un 4% mayor de lo previsto a partir de las mediciones realizadas por el satélite Planck de la ESA en el universo temprano utilizando la radiación cósmica de fondo de microondas. Dada la muestra de galaxias y las incertidumbres del análisis, esta discrepancia tiene un 5% de posibilidades de ser una mera fluctuación estadística. Si no lo fuera, podríamos estar ante una de las primeras pistas de que la teoría cosmológica actual no está del todo completa y que la naturaleza física de los componentes oscuros es incluso más exótica de lo que se pensaba anteriormente.
"Por ejemplo, la energía oscura puede no ser la energía del vacío. Su densidad puede cambiar con la expansión del universo, o incluso el espacio puede estar ligeramente curvado", dice Anna Porredon, investigadora española de la Universidad del Ruhr en Bochum (RUB). en Alemania. Esta investigadora, becaria del programa Marie Sklodowska-Curie Actions de la Unión Europea, ha sido una de las coordinadoras de este análisis.
La escala BAO ha sido medida por otros proyectos cosmológicos anteriores al DES en diferentes edades del universo, principalmente el Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) y su extensión (eBOSS), que fueron diseñados para este propósito. Sin embargo, la medición DES es la más precisa en una edad tan temprana del universo, con la mitad de incertidumbre que eBOSS en ese momento. El importante aumento de la precisión ha permitido revelar la posible discrepancia de la escala BAO con respecto al modelo estándar de cosmología.
"Para seguir este ejemplo, el siguiente paso crucial es combinar esta información con otras técnicas exploradas por DES para comprender la naturaleza de la energía oscura", comenta Hugo Camacho, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Brookhaven (EE.UU.), anteriormente en el Instituto de Física Teórica de la Universidad Estadual Paulista de Brasil (IFT-UNESP) y miembro del Laboratorio Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA). "Además, DES también allana el camino para una nueva era de descubrimientos en cosmología, a la que seguirán futuros experimentos con mediciones aún más precisas."
Como su nombre indica, DES es un gran proyecto cosmológico especialmente concebido para estudiar las propiedades de la energía oscura. Se trata de una colaboración internacional de más de 400 científicos de siete países con sede en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de Estados Unidos, cerca de Chicago. El proyecto está diseñado para utilizar cuatro métodos mutuamente complementarios:distancias cosmológicas con supernovas, el número de cúmulos de galaxias, la distribución espacial de las galaxias y el efecto de lente gravitacional débil.
Además, estos métodos se pueden combinar para obtener un mayor poder estadístico y un mejor control de las observaciones, que se espera que sean consistentes. La combinación del efecto de lentes gravitacionales con la distribución espacial de las galaxias es especialmente relevante. Estos análisis ponen a prueba el modelo cosmológico de una manera muy exigente. Los resultados que utilizan la mitad de los datos del DES ya se han publicado con gran éxito, y se espera que las mediciones finales, utilizando el conjunto completo de datos de más de 150 millones de galaxias, se publiquen a finales de este año.
"DES nos permite comprender por primera vez si la expansión acelerada del universo, que comenzó hace 6 mil millones de años, es consistente con nuestro modelo actual para el origen del universo", comenta Martin Crocce, quien coordina este último análisis. de ICE.
Para utilizar todas estas técnicas, el DES construyó la Cámara de Energía Oscura (DECam) de 570 megapíxeles, una de las cámaras más grandes y sensibles del mundo. Está instalado en el telescopio Víctor M. Blanco, con un espejo de 4m de diámetro, en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile, operado por NOIRLab de la NSF de EE.UU.
DES ha mapeado una octava parte de la bóveda celeste a una profundidad sin precedentes. Tomó imágenes a 4 colores entre 2013 y 2019 y actualmente se encuentra en la fase final del análisis científico de estas imágenes. Instituciones españolas han formado parte del proyecto desde su inicio en 2005 y, además de haber colaborado de forma destacada en el diseño, fabricación, prueba e instalación de DECam y adquisición de datos, tienen importantes responsabilidades en la gestión científica de DES hasta la fecha.
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven
