Los científicos de la colaboración Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI, instrumento espectroscópico para la energía oscura) acaban de anunciar que han reconstruido la historia de la formación de las estructuras del Universo durante los últimos 11 mil millones de años utilizando una muestra de 6 millones de galaxias observadas durante el primer año de funcionamiento del instrumento.
El instrumento DESI ha realizado el mapa 3D más grande de nuestro Universo hasta la fecha. Esta sección muestra las galaxias cartografiadas durante el primer año del estudio de cinco años de DESI. La Tierra está en el centro de esta fina sección del mapa completo. En la parte ampliada, se puede observar fácilmente la estructura subyacente de la materia en nuestro Universo.
Sus resultados confirman la validez de la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, a escalas cosmológicas.
La gravedad ha dado forma a nuestro cosmos y, bajo el efecto de su fuerza atractiva, pequeñas diferencias de densidad en la distribución de materia en el Universo primitivo evolucionaron hasta formar las galaxias y las grandes estructuras cósmicas que observamos hoy.
Un nuevo estudio que utiliza los datos del “Dark Energy Spectroscopic Instrument” (DESI, el instrumento espectroscópico para la energía oscura) ha reconstruido cómo estas estructuras se desarrollaron durante los últimos 11 mil millones de años, proporcionando así la prueba más precisa hasta la fecha de la gravedad a gran escala.
Este nuevo estudio de la colaboración se presenta en varios artículos publicados en el repositorio en línea arXiv y
presentados aquí. Su objetivo es probar la validez de la teoría de la gravedad de Einstein, la relatividad general, a escalas cosmológicas, en las cuales se han propuesto modificaciones como alternativas a la energía oscura para explicar la aceleración de la expansión del Universo.
La colaboración internacional DESI, que reúne a más de 900 investigadores e investigadoras de más de 70 instituciones de todo el mundo, está gestionada por el Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
En este video en 360 grados, embárquese en un vuelo interactivo a través de millones de galaxias cartografiadas mediante observaciones de DESI.
Crédito: Fiske Planetarium, CU Boulder y colaboración DESI.
Así, el mecanismo detrás de esta expansión acelerada se estudia con dos enfoques. El primero consiste en suponer la existencia de un nuevo componente del Universo, la energía oscura, cuyas propiedades se buscan determinar, en particular si estas evolucionan con el tiempo o se mantienen constantes. El segundo enfoque propone modelos de gravedad modificada respecto a la relatividad general para explicar la aceleración de la expansión del Universo sin recurrir a la energía oscura.
En este nuevo estudio, codirigido por Pauline Zarrouk, cosmóloga del CNRS en el Laboratorio de Física Nuclear y Altas Energías (LPNHE), los investigadores de la colaboración DESI observaron que la gravedad se comporta en concordancia con la teoría de la relatividad general de Einstein.
Este resultado valida, por tanto, el modelo de referencia del Universo y limita las posibles extensiones de la relatividad general. "La relatividad general ha sido ampliamente y precisamente probada a escalas de sistemas estelares, pero también era necesario verificar que nuestra hipótesis funciona a escalas mucho mayores", explica Pauline Zarrouk. "La medida estadística de las velocidades de las galaxias a lo largo de la historia del Universo nos permite probar directamente la teoría de la gravedad.
Es la primera vez que realizamos este nuevo análisis complejo con DESI para reconstruir la historia del crecimiento de las estructuras cósmicas. Nuestros resultados muestran que, hasta ahora, estamos en concordancia con lo que predice la relatividad general a escalas cosmológicas."
Esta simulación muestra cómo la gravedad afecta la posición de las galaxias observadas, modificando así la forma en que la materia se agrupa para formar las estructuras cósmicas. Como diferentes modelos de gravedad predicen diversas formaciones de estructuras, los científicos de DESI pueden comparar las observaciones con las predicciones y así probar la gravedad a escalas cosmológicas.
Crédito: Claire Lamman y Michael Rashkovetskyi / colaboración DESI.
Los resultados publicados constituyen un análisis profundo de los datos del primer año de DESI, que permitieron establecer en abril el mapa 3D más grande del Universo hasta la fecha, y revelar indicios de una posible evolución de la energía oscura a lo largo del tiempo. Los resultados de abril se centraban en una característica particular en la distribución espacial de las galaxias, conocida como las oscilaciones acústicas de bariones (BAO).
El nuevo análisis amplía el alcance para extraer más información de los datos, midiendo cómo las galaxias y la materia están distribuidas en diferentes escalas en el espacio. El estudio requirió meses de trabajo adicional y verificaciones cruzadas. Al igual que el estudio anterior, utilizó una técnica que oculta los resultados a los científicos hasta el final para evitar cualquier sesgo inconsciente en las análisis.
El análisis complejo abarcó cerca de 6 millones de galaxias y cuásares situados entre 1 y 11 mil millones de años luz de la Tierra. Con solo un año de datos, DESI realizó la medición global más precisa del crecimiento de las estructuras cósmicas, superando esfuerzos previos que tomaron décadas.
"Gracias a este tesoro de datos y la mejora de nuestros análisis, los resultados obtenidos con este primer año de datos son espectaculares", declaró Arnaud de Mattia, cosmólogo del CEA Paris-Saclay y codirector del grupo DESI encargado de interpretar los datos cosmológicos. "Estamos probando con una precisión sin precedentes el efecto de la energía oscura y la relatividad general a escalas cósmicas."
Esta figura muestra las mediciones del crecimiento de las estructuras cósmicas en función del desplazamiento al rojo, obtenidas con los datos de DESI recolectados durante su primer año. La curva negra en línea discontinua muestra la predicción de la relatividad general y las otras curvas de colores representan modificaciones de la relatividad general con una gravedad más o menos fuerte en comparación con la relatividad general.
Crédito: Héctor Gil-Marin y Pauline Zarrouk / colaboración DESI
El estudio también brindó nuevos límites superiores sobre la masa de los neutrinos, las únicas partículas fundamentales cuya masa aún no ha sido medida con precisión. Las experiencias de física de partículas sobre neutrinos muestran que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos debe estar entre 0,06 eV/c
2 y 1,35 eV/c
2 (aproximadamente un millón de veces más ligeros que un electrón). En el marco del modelo cosmológico estándar donde la energía oscura se describe mediante una constante cosmológica, los resultados de DESI indican que la suma debería ser inferior a 0,07 eV/c
2 (al 95% de probabilidad), dejando así una ventana estrecha para las masas de los neutrinos.
"Sin embargo, los resultados de DESI también pueden interpretarse en un modelo cosmológico donde la energía oscura puede variar con el tiempo, como tienden a indicar las observaciones recientes", precisa Etienne Burtin, físico del CEA Paris-Saclay y quien codirigió el grupo de análisis de datos de DESI. "En este marco, el límite superior obtenido, 0,19 eV/c
2, es ciertamente más elevado, pero depende mucho menos del modelo cosmológico utilizado y sigue siendo más restrictivo que las experiencias de física de partículas."
DESI es un instrumento de vanguardia que puede captar la luz de 5.000 galaxias simultáneamente. Fue construido y es operado gracias a la financiación de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). DESI está instalado en la cima del telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall de la Fundación Nacional para la Ciencia (NSF) en el Observatorio Nacional de Kitt Peak. La experiencia está en su cuarto año de un proyecto de cinco años de exploración del cielo y planea recolectar aproximadamente 40 millones de galaxias y cuásares para el final del proyecto.
La colaboración DESI continúa sus observaciones y actualmente está analizando los tres primeros años de observaciones. Se prevé presentar mediciones aún más precisas de la historia de la expansión del Universo y sus implicaciones sobre la naturaleza de la energía oscura en la primavera de 2025.
Los institutos franceses que contribuyen al programa DESI son el Instituto de Investigación sobre las Leyes Fundamentales del Universo (Irfu, CEA-Paris Saclay), el Laboratorio de Física Nuclear y Altas Energías (LPNHE, CNRS / Sorbonne Université / Université Paris Cité), el Centro de Física de Partículas de Marsella (CPPM, CNRS / Aix-Marseille Université) y el Laboratorio de Astrofísica de Marsella (LAM, CNRS / Aix-Marseille Université / CNES).
DESI cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) y del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), un centro de cálculo del DOE Office of Science. DESI también recibe apoyo de la Fundación Nacional para la Ciencia de Estados Unidos, el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Heising-Simons, el Comisariado de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) de Francia, el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México, el Ministerio de Economía de España, así como las instituciones miembros de DESI.
La colaboración DESI tiene el honor de estar autorizada para realizar investigaciones científicas en la montaña Du'ag (Kitt Peak), un lugar que tiene una importancia particular para la nación Tohono O'odham.
Fuente: CNRS IN2P3