Los investigadores utilizan el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura para crear el mapa 3D más grande de nuestro universo.

4 de abril de 2024

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por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

Con 5,000 diminutos robots en un telescopio de montaña, los investigadores pueden mirar 11 mil millones de años en el pasado. La luz de objetos lejanos en el espacio está llegando ahora al Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), permitiéndonos 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 está provocando que nuestro universo se expanda cada vez más rápido.

Para estudiar los efectos de la energía oscura en los últimos 11 mil millones de años, DESI ha creado el mapa 3D más grande de nuestro cosmos jamás construido, con las medidas más precisas hasta la fecha. Esta es la primera vez que los científicos han medido la historia de la expansión del universo joven con una precisión mejor del 1%, proporcionándonos nuestra mejor visión hasta ahora de cómo evolucionó el universo.

Los investigadores compartieron el análisis de su primer año de datos recopilados en múltiples documentos que se publicarán hoy en el servidor de preimpresión arXiv y en charlas en la reunión de la Sociedad Americana de Física en los Estados Unidos y las 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 salir de la nueva generación de experimentos de energía oscura", dijo Michael Levi, director de DESI y científico en el Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio Berkeley), que administra 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. Esos pueden o no desaparecer con más datos, por lo que estamos emocionados 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 débilmente interactiva (materia oscura fría, o CDM) como energía oscura (Lambda). Tanto la materia como la energía oscura moldean cómo se expande el universo, pero de maneras opuestas. La materia y la materia oscura ralentizan la expansión, mientras que la energía oscura la acelera. La cantidad de cada uno influencia cómo evoluciona nuestro universo. Este modelo hace un buen trabajo describiendo resultados de experimentos anteriores y cómo se ve el universo a lo largo del tiempo.

Sin embargo, cuando se combinan los resultados del primer año de DESI con datos de otros estudios, hay algunas diferencias sutiles con lo que Lambda CDM predeciría. A medida que DESI recopila más información durante su estudio de cinco años, estos primeros resultados se volverán más precisos, arrojando luz sobre si los datos están apuntando a diferentes explicaciones para los resultados que observamos o la necesidad de actualizar nuestro modelo.

Más datos también mejorarán los otros primeros resultados de DESI, que pesan en la constante de Hubble (una medida de cuán rápido se está expandiendo el universo hoy) y la masa de partículas llamadas neutrinos.

"Ningún experimento espectroscópico ha tenido tantos datos antes, y seguimos recopilando datos de más de un millón de galaxias cada mes", dijo Nathalie Palanque-Delabrouille, científica del Laboratorio Berkeley y coportavoz del experimento.

"Es asombroso que con solo nuestro primer año de datos, ya podamos medir la historia de la expansión de nuestro universo en siete diferentes cortes de tiempo cósmico, cada uno con una precisión del 1 al 3%. El equipo ha trabajado enormemente para tener en cuenta las peculiaridades de la instrumentación y la modelización teórica, lo que nos da confianza en la robustez de nuestros primeros resultados."

La precisión total de DESI en la historia de la expansión a lo largo de todos los 11 mil millones de años es del 0.5%, y la época más distante, que abarca de 8 a 11 mil millones de años en el pasado, tiene una precisión récord del 0.82%. Esa medida de nuestro universo joven es increíblemente difícil de hacer.

Sin embargo, en un solo año, DESI se ha vuelto dos veces más potente para medir la historia de la expansión en estos tiempos tempranos que su predecesor (la Encuesta Digital Sloan Sky / eBOSS), que tardó 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 Alta Energía en DOE. "DESI sigue maravillándonos con su rendimiento estelar y ya está moldeando nuestra comprensión del universo."

DESI es una colaboración internacional de más de 900 investigadores de más de 70 instituciones en todo el mundo. El instrumento se encuentra en el Telescopio Nicholas U. Mayall de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en el Observatorio Nacional Kitt Peak, un programa del NOIRLab de NSF.

Al observar el mapa del DESI, es fácil ver la estructura subyacente del universo: hebras de galaxias agrupadas, separadas por vacíos con menos objetos. Nuestro universo muy temprano, más allá de lo que DESI puede ver, 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. Entre esas partículas se encontraban los núcleos de hidrógeno y helio, llamados colectivamente bariones.

Pequeñas fluctuaciones en este plasma ionizado temprano causaban ondas de presión, moviendo los bariones en un patrón de ondulaciones que es similar a lo que verías si lanzas un puñado de grava en un estanque. A medida que el universo se expandía y enfriaba, se formaron átomos neutros y las ondas de presión se detuvieron, congelando las ondulaciones en tres dimensiones e incrementando la agrupación de futuras galaxias en las áreas densas.

Miles de millones de años después, aún podemos ver este débil patrón de ondulaciones 3D, o burbujas, en la separación característica de las galaxias, una característica llamada Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO, por sus siglas en inglés).

Los investigadores utilizan las mediciones de BAO como una regla cósmica. Al medir el tamaño aparente de estas burbujas, pueden determinar las distancias a la materia responsable de este patrón extremadamente débil en el cielo. Mapear las burbujas de BAO tanto cerca como lejos permite a los investigadores dividir los datos en partes, midiendo cuán rápido se expandía el universo en cada momento de su pasado y modelando cómo la energía oscura afecta esa expansión.

'Hemos medido la historia de expansión en este enorme rango de tiempo cósmico con una precisión que supera a todas las encuestas de BAO anteriores combinadas', dijo Hee-Jong Seo, profesor en la Universidad de Ohio y co-líder del análisis BAO de DESI. 'Estamos muy emocionados de aprender cómo estas nuevas mediciones mejorarán y modificarán nuestra comprensión del cosmos. Los humanos tienen una fascinación atemporal con nuestro universo, queriendo saber tanto de qué está hecho como qué le sucederá'.

Usar galaxias para medir la historia de expansión y entender mejor la energía oscura es una técnica, pero solo puede llegar hasta cierto punto. En cierto momento, 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 a medida que pasa a través de las nubes de gas intergalácticas, lo que permite a los investigadores mapear los bolsillos de materia densa y usarlos de la misma manera que usan las galaxias, una técnica conocida como usar el 'bosque de Lyman-alfa'.

'Usamos los cuásares como una retroiluminación para básicamente ver la sombra del gas que interviene entre los cuásares y nosotros', dijo Andreu Font-Ribera, científico del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) en España que co-dirige el análisis del bosque Lyman-alfa de DESI. 'Nos permite mirar más allá, cuando el universo era muy joven. Es una medición realmente difícil de hacer, y muy genial ver que tiene éxito'.

Los investigadores utilizaron 450,000 cuásares, el conjunto más grande jamás recolectado para estas mediciones del bosque de Lyman-alfa, para extender sus mediciones de BAO hasta 11 mil millones de años en el pasado. Al final de la encuesta, DESI planea mapear 3 millones de cuásares y 37 millones de galaxias.

Ciencia de última generación

DESI es el primer experimento espectroscópico en realizar un 'análisis ciego completo', que oculta el resultado verdadero de los científicos para evitar cualquier sesgo de confirmación subconsciente. Los investigadores trabajan a ciegas con datos modificados, escribiendo 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 realizamos el análisis nos da confianza en nuestros resultados, y en particular en mostrar que el bosque de Lyman-alfa es una herramienta poderosa para medir la expansión del universo', dijo Julien Guy, científico del Laboratorio Berkeley y co-líder del procesamiento de información de los espectrógrafos de DESI.

'El conjunto de datos que estamos recolectando es excepcional, al igual que la tasa a la que lo estamos recolectando. Esta es la medición más precisa que he hecho en mi vida'.

Los datos de DESI se utilizarán para complementar futuras encuestas del cielo como el Observatorio Vera C. Rubin y el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman, y para prepararse para una posible actualización del DESI (DESI-II) que fue recomendada en un informe reciente del Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas de EE. UU.

'Estamos en la era dorada de la cosmología, con encuestas a gran escala en curso y a punto de comenzar, y se están desarrollando nuevas técnicas para aprovechar al máximo estos conjuntos de datos', dijo Arnaud de Mattia, investigador de la Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica de Francia (CEA) y co-líder del grupo DESI que interpreta los datos cosmológicos.

'Todos estamos realmente motivados por ver si los nuevos datos confirmarán las características que vimos en nuestra muestra del primer año y elaborarán una mejor comprensión de la dinámica de nuestro universo'.

Journal information: arXiv

Provided by Lawrence Berkeley National Laboratory