Los físicos han deducido indicios sutiles de que la misteriosa energía "oscura" que impulsa al universo a expandirse cada vez más rápido puede estar debilitándose ligeramente con el tiempo. Es un hallazgo que tiene el potencial de sacudir los cimientos de la física.

"Si es cierto, sería la primera pista real que hemos obtenido sobre la naturaleza de la energía oscura en 25 años", dijo Adán Riess, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins que ganó el Premio Nobel por el co-descubrimiento de la energía oscura en 1998.

Las nuevas observaciones provienen del equipo del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), que hoy reveló un mapa del cosmos de un alcance sin precedentes, junto con una gran cantidad de mediciones derivadas del mapa. Para muchos investigadores, lo más destacado es un gráfico que muestra que tres combinaciones diferentes de observaciones insinúan que la influencia de la energía oscura puede haberse erosionado a lo largo de los eones.

"Es posible que estemos viendo indicios de la evolución de la energía oscura", dijo Dillon Brout de la Universidad de Boston, miembro del equipo DESI.

Los investigadores dentro y fuera de la colaboración enfatizan que la evidencia no es lo suficientemente sólida como para afirmar un descubrimiento. Las observaciones favorecen la erosión de la energía oscura con un tipo de significación estadística mediocre que fácilmente podría desaparecer con datos adicionales. Pero los investigadores también señalan que tres conjuntos distintos de observaciones apuntan en la misma dirección intrigante, una que está en desacuerdo con la imagen estándar de la energía oscura como la energía intrínseca del vacío del espacio, la cantidad que Albert Einstein denominó la "constante cosmológica". por su carácter invariable.

"Es emocionante", dijo Sesh Nadathur, cosmóloga de la Universidad de Portsmouth que trabajó en el análisis DESI. "Si la energía oscura no es una constante cosmológica, será un gran descubrimiento".

Aumento de la constante cosmológica

En 1998, el grupo de Riess, junto con otro equipo de astrónomos dirigido por Saul Perlmutter, utilizó la luz de docenas de estrellas distantes y moribundas llamadas supernovas para iluminar la estructura del cosmos. Descubrieron que la expansión del universo crece más rápidamente a medida que envejece.

Según la teoría general de la relatividad de Einstein, cualquier materia o energía puede impulsar la expansión cósmica. Pero a medida que el espacio se expande, todos los tipos familiares de materia y energía se vuelven menos densos a medida que se expanden en un universo más espacioso. A medida que sus densidades disminuyen, la expansión del universo debería disminuir, no acelerarse.

Sin embargo, una sustancia que no se diluye con la expansión del espacio es el espacio mismo. Si el vacío tiene energía propia, entonces a medida que se crea más vacío (y por tanto más energía), la expansión se acelerará, tal como observaron los equipos de Riess y Perlmutter. Su descubrimiento de la expansión acelerada del universo reveló la presencia de una pequeña cantidad de energía asociada con el vacío del espacio: la energía oscura.

Convenientemente, Einstein había considerado esa posibilidad mientras desarrollaba la relatividad general. Para evitar que la dilución de la materia colapsara el universo, imaginó que todo el espacio podría recibir una cantidad fija de energía adicional, representada por el símbolo Λ, llamada lambda y denominada constante cosmológica. La intuición de Einstein resultó errónea, ya que el universo no está equilibrado como él imaginaba. Pero después del descubrimiento en 1998 de que el espacio parece estar empujando todo hacia afuera, su constante cosmológica regresó y ocupó su lugar en el corazón del actual modelo estándar de cosmología, un conjunto de ingredientes entrelazados denominado "modelo Lambda CDM".

"Es sencillo. Es un número. Tiene una historia que puedes adjuntarle. Por eso se cree que es constante”, dijo Licia Verde, cosmólogo teórico y miembro de la colaboración DESI.

Ahora, una nueva generación de cosmólogos que empuñan una nueva generación de telescopios puede estar captando los primeros rumores de una historia más rica.

Mapeando los cielos

Uno de esos telescopios se encuentra en Kitt Peak en Arizona. El equipo DESI ha equipado el espejo de cuatro metros del telescopio con 5,000 fibras robóticas que giran automáticamente hacia sus objetivos celestes. La automatización permite una recopilación de datos ultrarrápida en comparación con el anterior estudio insignia de galaxias, el Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que se basaba en fibras similares que debían conectarse a mano en placas de metal estampadas. En una reciente noche récord, DESI pudo registrar la ubicación de casi 200,000 galaxias.

Desde mayo de 2021 hasta junio de 2022, las fibras robóticas sorbieron fotones que llegaban a la Tierra desde diferentes épocas de la historia cósmica. Desde entonces, los investigadores de DESI han transformado esos datos en el mapa cósmico más detallado jamás creado. Presenta las ubicaciones precisas de alrededor de 6 millones de galaxias tal como existieron hace aproximadamente entre 2 y 12 mil millones de años (de los 13.8 mil millones de años de historia del universo). "DESI es un experimento realmente fantástico que produce datos estupendos", afirmó Riess.

El secreto del mapeo de precisión de DESI es su capacidad para recolectar espectros de galaxias: gráficos ricos en datos que registran la intensidad de cada tono de luz. Un espectro revela qué tan rápido se aleja una galaxia de nosotros y, por lo tanto, en qué era de la historia cósmica la estamos viendo (cuanto más rápido se aleja una galaxia, más antigua es). Eso permite situar las galaxias entre sí, pero para calibrar el mapa con las distancias correctas en relación con la Tierra (información esencial para una reconstrucción completa de la historia cósmica) se necesita algo más.

Para la colaboración DESI, ese algo era un mosaico de ondas de densidad congeladas que quedaron del universo primitivo. Durante los primeros cientos de miles de años después del Big Bang, el cosmos era una sopa espesa y caliente compuesta principalmente de materia y luz. La gravedad atrajo la materia hacia adentro mientras la luz la empujaba hacia afuera, y la lucha provocó ondas de densidad que se extendieron hacia afuera desde un puñado de puntos densos iniciales en la sopa. Después de que el universo se enfrió y se formaron los átomos, se volvió transparente. La luz fluyó hacia afuera, dejando las ondas, llamadas oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), congeladas en su lugar.

El resultado final fue una serie de esferas superpuestas con capas ligeramente más densas que medían aproximadamente mil millones de años luz de diámetro: la distancia que los BAO tuvieron tiempo de recorrer antes de congelarse. Esas densas capas formaron un poco más de galaxias que en otros lugares, y cuando los investigadores de DESI mapean millones de galaxias, pueden detectar rastros de estas esferas. Las esferas más cercanas parecen más grandes que las distantes, pero como los investigadores de DESI saben que todas las esferas son del mismo tamaño, pueden determinar qué tan lejos de la Tierra están realmente las galaxias y cambiar el tamaño del mapa en consecuencia.

Para evitar influir inconscientemente en sus resultados, los investigadores realizaron un análisis "ciego", trabajando con mediciones que habían sido mezcladas aleatoriamente para ocultar cualquier patrón físico. Luego, la colaboración se reunió en Hawai'i en diciembre pasado para descifrar los resultados y ver qué tipo de mapa habían observado las fibras robóticas de Kitt Peak.

Nadathur, que estaba viendo en vivo por Zoom desde su casa en el Reino Unido, sintió emoción cuando se reveló el mapa, porque le parecía un poco extraño. "Si se tuviera suficiente experiencia con los datos BAO, se podría ver que se necesitaría algo un poco diferente del modelo estándar", dijo Nadathur. "Sabía que Lambda CDM no era el panorama completo".

Durante la semana siguiente, mientras los investigadores revisaban el nuevo conjunto de datos, analizándolo y combinándolo con otros grandes conjuntos de datos cosmológicos, descubrieron la fuente de la rareza e intercambiaron una avalancha de mensajes de Slack.

“Uno de mis colegas publicó un diagrama que muestra esta limitación de la energía oscura y no escribió ninguna palabra. Sólo la trama y un emoji de cabeza explosiva”, dijo Nadathur.

Datos por días

DESI tiene como objetivo precisar cómo el universo se ha expandido a lo largo del tiempo mediante la observación de diferentes tipos de galaxias tal como aparecieron durante siete épocas de la historia cosmológica. Luego ven qué tan bien se alinean estas siete instantáneas con la evolución predicha por Lambda CDM. También consideran qué tan bien funcionan otras teorías, como las que permiten que la energía oscura varíe entre instantáneas.

Solo con el primer año de datos DESI, Lambda CDM se ajusta a las instantáneas casi tan bien como un modelo de materia oscura variable. Sólo cuando la colaboración combina el mapa DESI con otras instantáneas (luz conocida como fondo cósmico de microondas y una serie de tres mapas de supernovas recientes) las dos teorías comienzan a distanciarse.

Descubrieron que los resultados variaban con respecto a la predicción de Lambda CDM en 2.5, 3.5 o 3.9 “sigmas”, dependiendo de cuál de los tres catálogos de supernovas incluyeran. Imagínese lanzar una moneda 100 veces. La predicción para una moneda justa es 50 caras y 50 cruces. Si obtienes 60 caras, estás a dos sigma de la media; las probabilidades de que esto suceda por casualidad (a diferencia de que la moneda esté manipulada) son de 1 entre 20. Si obtienes 75 caras, lo que tiene una probabilidad de 1 entre 2 millones de ocurrir al azar, ese es un resultado de cinco sigma, el estándar de oro para reclamar un descubrimiento en física. los valores sigma DESI obtenidos se sitúan en algún punto intermedio; podrían ser fluctuaciones estadísticas poco comunes o evidencia real de que la energía oscura está cambiando.

Si bien los investigadores encuentran estas cifras tentadoras, también advierten contra la interpretación excesiva de los valores más altos. El universo es mucho más complicado que una moneda y los significados estadísticos dependen de suposiciones sutiles en el análisis de los datos.

Una razón más importante para el entusiasmo es el hecho de que los tres catálogos de supernovas (que abarcan poblaciones de supernovas algo independientes) insinúan que la energía oscura está variando de la misma manera: su poder está disminuyendo o, como dicen los cosmólogos, “se está descongelando”. "Cuando intercambiamos todos estos conjuntos de datos complementarios, todos tienden a converger en este número ligeramente negativo", dijo Brout. Si la discrepancia fuera aleatoria, es más probable que los conjuntos de datos apunten en direcciones diferentes.

Josué Frieman, cosmólogo de la Universidad de Chicago y miembro de la colaboración DESI que no trabajó en el análisis de datos, dijo que le alegraría ver caer Lambda CDM. Como teórico, propuso teorías sobre el deshielo de la energía oscura en la década de 1990 y, más recientemente, cofundó el Dark Energy Survey, un proyecto que buscó desviaciones del modelo estándar de 2013 a 2019 y creó uno de los tres catálogos de supernovas DESI. usado. Pero también recuerda haber sido quemado por anomalías cosmológicas que desaparecieron en el pasado. "Mi reacción ante esto es la de estar intrigado", pero "hasta que los errores se reduzcan, no voy a escribir mi discurso de aceptación [del Nobel]", bromeó Frieman.

"Estadísticamente hablando, podría desaparecer", dijo Brout sobre la discrepancia con el modelo Lambda CDM. "Ahora vamos a hacer todo lo posible para averiguar si será así".

Después de concluir su tercer año de observaciones a principios de esta semana, los investigadores de DESI esperan que su próximo mapa contenga casi el doble de galaxias que el mapa presentado hoy. Y ahora que tienen más experiencia en el análisis BAO, planean obtener rápidamente el mapa actualizado de tres años. Luego viene un mapa de cinco años de 40 millones de galaxias.

Más allá de DESI, en los próximos años se incorporarán una serie de nuevos instrumentos, incluido el Observatorio Vera Rubin de 8.4 metros en Chile, el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA y la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea.

"Nuestros datos en cosmología han dado enormes saltos en los últimos 25 años, y están a punto de dar saltos aún mayores", afirmó Frieman.

A medida que acumulen nuevas observaciones, los investigadores pueden seguir descubriendo que la energía oscura parece tan constante como lo ha sido durante una generación. O, si la tendencia continúa en la dirección sugerida por los resultados de DESI, podría cambiarlo todo.

Nueva Física

Si la energía oscura se está debilitando, no puede ser una constante cosmológica. Más bien, puede ser el mismo tipo de campo que muchos cosmólogos creen que provocó un momento de expansión exponencial durante el nacimiento del universo. Este tipo de "campo escalar" podría llenar el espacio con una cantidad de energía que parece constante al principio -como la constante cosmológica- pero que eventualmente comienza a disminuir con el tiempo.

"La idea de que la energía oscura varía es muy natural", dijo Pablo Steinhardt, cosmóloga de la Universidad de Princeton. De lo contrario, continuó, “sería la única forma de energía que conocemos que es absolutamente constante en el espacio y el tiempo”.

Pero esa variabilidad provocaría un profundo cambio de paradigma: no viviríamos en el vacío, que se define como el estado de menor energía del universo. En cambio, habitaríamos un estado lleno de energía que se desliza lentamente hacia un verdadero vacío. "Estamos acostumbrados a pensar que vivimos en el vacío", dijo Steinhardt, "pero nadie te prometió eso".

El destino del cosmos dependería de qué tan rápido disminuya el número anteriormente conocido como constante cosmológica, y de hasta dónde podría llegar. Si llega a cero, la aceleración cósmica se detendría. Si cae lo suficiente por debajo de cero, la expansión del espacio se convertiría en una lenta contracción, el tipo de inversión necesaria para teorías cíclicas de la cosmología, como los desarrollados por Steinhardt.

Los teóricos de cuerdas comparten una perspectiva similar. Con su propuesta de que todo se reduce a la vibración de cuerdas, pueden tejer universos con diferente número de dimensiones y todo tipo de partículas y fuerzas exóticas. Pero ellos no puedo construir fácilmente un universo que mantiene permanentemente una energía positiva estable, como parece que lo hace nuestro universo. En cambio, en la teoría de cuerdas, la energía debe caer suavemente a lo largo de miles de millones de años o caer violentamente hasta cero o un valor negativo. “Esencialmente, todos los teóricos de cuerdas creen que es lo uno o lo otro. No sabemos cuál”, dijo Cumrun Vafa de la Universidad de Harvard.

La evidencia observacional de una disminución gradual de la energía oscura sería una bendición para el escenario de caída suave. "Eso sería sorprendente. Sería el descubrimiento más importante desde el descubrimiento de la propia energía oscura”, dijo Vafa.

Pero por ahora, cualquier especulación de este tipo se basa en el análisis DESI sólo de manera muy vaga. Los cosmólogos tendrán que observar muchos millones de galaxias más antes de considerar seriamente la posibilidad de una revolución.

"Si esto se mantiene, podría iluminar el camino hacia una comprensión nueva y potencialmente más profunda del universo", dijo Riess. "Los próximos años deberían ser muy reveladores".