La fuerza de la gravedad ha dado forma al universo. El carácter de la atracción gravitacional ha transformado las minúsculas diferencias en la cantidad de materia del universo primitivo en los extensos filamentos de galaxias que pueden observarse hoy en día.
Un nuevo estudio que utiliza los datos del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés, de Dark Energy Spectroscopic Instrument) ha cartografiado el crecimiento de estas estructuras durante los últimos once mil millones de años, y ha llevado a cabo la verificación de la fuerza de la gravedad más precisa de la historia a gran escala.
El DESI es una colaboración internacional de más de novecientos científicos de más de setenta instituciones de todas partes del mundo, gestionada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de Estados Unidos.
En este nuevo estudio, los científicos han descubierto que la gravedad se comporta tal como predice la teoría de la relatividad general de Einstein. Estos resultados confirman el modelo actual del universo y acotan posibles teorías de gravedad modificada, que se habían propuesto como explicaciones alternativas de observaciones inesperadas, como la expansión acelerada del universo, que habitualmente se atribuye a la energía oscura.
El investigador Héctor Gil Marín, de la Facultad de Física y del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB), ha coliderado este nuevo análisis y comenta que «estos datos nos permiten estudiar con qué rapidez se han formado las mayores estructuras del cosmos, para poner límites, así, a la teoría de gravitación de Einstein en escalas cosmológicas muy superiores a las del sistema solar». El investigador, que también es miembro del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), añade que «los resultados, por ahora, encajan perfectamente con las predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein».
El instrumento espectroscópico de energía oscura DESI captando imágenes del cielo nocturno. (Foto: KPNO / NOIRLab / NSF / AURA / T. Slovinsky)
El estudio proporciona también un nuevo límite superior a la masa de los neutrinos, las únicas partículas elementales de las cuales todavía no se han medido las masas. Experimentos previos revelaron que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos debería ser por lo menos 0,059 eV/c2 (como comparación, la del electrón es de 511.000 eV/c2). Los resultados del DESI indican que esta suma debe ser de menos de 0,071 eV/c2, lo que deja una ventana muy estrecha para los posibles valores de las masas de los neutrinos.
Con solo un año de datos, el DESI ha logrado realizar las mediciones globales más precisas del crecimiento de estructuras y ha superado todos los resultados previos, que habían costado décadas de esfuerzo continuado.
El complejo análisis de datos se ha hecho con los de cerca de seis millones de galaxias y cuásares situados a distancias que varían entre los mil y los once mil millones de años-luz de la Tierra.
Los nuevos resultados son un análisis en profundidad de los datos del primer año del DESI, que en abril presentó el mayor mapa 3D del universo realizado hasta el momento y encontró algunos indicios de que la energía oscura podría estar cambiando con el paso del tiempo. Los resultados publicados entonces se centraban en una propiedad particular de la distribución espacial de las galaxias, conocida como las oscilaciones acústicas de los bariones (BAO, por sus siglas en inglés). Este nuevo análisis incorpora toda la información contenida en la forma del espectro de potencias y amplía el alcance de lo anterior para extraer más información de los datos, lo que permite medir la distribución de las galaxias y la materia a diferentes escalas espaciales. El estudio ha requerido meses de trabajo y comprobaciones adicionales. Como en el caso anterior, sus autores han utilizado una técnica de análisis ciego que esconde los resultados hasta el final, para mitigar cualquier sesgo.
Eusebio Sánchez, investigador del Centro de Investigación Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) en España, que ha colaborado en el análisis de los datos, reconoce que «los resultados conseguidos con el primer año de datos del DESI son realmente deslumbrantes». Y aclara que «eso solo es el principio, porque el proyecto sigue obteniendo más datos, que permitirán mejorar mucho el conocimiento actual de la gravedad y de la energía oscura».
El DESI es un portentoso instrumento capaz de capturar la luz de cinco mil galaxias a la vez y determinar sus espectros. Se construyó y se usa con financiación de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos. El DESI, como parte de un programa del NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF), está situado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, concretamente en el telescopio Nicholas U. Mayall, que tiene un espejo con un diámetro de cuatro metros. El experimento se encuentra actualmente en el cuarto de los cinco años previstos de toma de datos, y el objetivo es haber cartografiado unos cuarenta millones de galaxias y cuásares cuando el proyecto finalice.
La colaboración ya está analizando los datos de los primeros tres años y se prevé que los nuevos resultados que se obtengan se presenten en la primavera de 2025 y actualicen las mediciones existentes sobre la energía oscura y la historia de la expansión del universo. Los resultados ahora presentados concuerdan con los de anteriores estudios que apuntaban a la probabilidad de que la energía oscura evolucione con el paso del tiempo.
Hui Kong, investigadora postdoctoral del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) que trabajó en la preparación de los catálogos de galaxias, explica que «la distribución de las galaxias sugiere la presencia de materia y energía oscuras, que son en gran medida un misterio para nosotros. Sin embargo, las mediciones precisas que proporciona el DESI ofrecen información prometedora sobre estas cuestiones fundamentales en torno al universo».
Por parte española, en el DESI participan el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)), el ICCUB, el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA), el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y el Instituto de Física Teórica (IFT, centro mixto de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el CSIC)). (Fuente: Universitat de Barcelona)