A partir de los primeros datos recogidos por el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), una colaboración internacional, formada por aproximadamente 900 científicos pertenecientes a más de 70 instituciones entre las cuales se encuentran diversos centros de investigación españoles, ha creado el mapa 3-D más extenso y preciso del universo hasta la fecha, en un proyecto que tiene como principal objetivo validar el modelo cosmológico actual que explica cómo es y cómo evoluciona nuestro universo.
Las observaciones realizadas por DESI en tan sólo un año aportan información proveniente de un impresionante registro formado por más de 5,7 millones de objetos distribuidos a lo largo de un amplio rango de distancias, incluyendo galaxias que emitieron su luz hace más de 11 mil millones de años (cuando finalice el proyecto, se habrán observado hasta 40 millones de galaxias).
Los primeros resultados que se derivan de estas observaciones apoyan el modelo prevalente en la cosmología actual, y según el cual la expansión acelerada del universo, descubierta a finales del siglo pasado, es alimentada por una energía que recibe el nombre de oscura y que se mantiene con una densidad constante con el paso del tiempo. Sin embargo, cuando los datos de DESI se combinan con los provenientes de otros estudios, los análisis revelan indicios que sugieren que la energía oscura podría ser variable, lo cual abriría la puerta a replantear profundamente el marco teórico existente.
El estudio de la energía oscura y su relación con la expansión del espacio se ha convertido, en los últimos años, en una de las fronteras del conocimiento sobre el cosmos. La ciencia todavía desconoce cuál es la naturaleza de esta energía y qué papel puede jugar en el desarrollo futuro del universo.
El rescate de la constante cosmológica
Cuando, a principios del siglo XX, Albert Einstein planteó la teoría de la relatividad general, las ecuaciones que derivó para describir el comportamiento del universo anunciaban, de manera sorprendente y en contra del pensamiento dominante por aquel entonces que decía que el cosmos era estático, que el espacio debía estarse expandiendo o bien colapsándose. Pero este hecho era tan extraordinario que el mismo Einstein decidió modificar sus fórmulas, introduciendo en ellas una constante que contrarrestase la tendencia hacia un universo dinámico y asegurase la inmutabilidad del mismo.
Unos años después, a principios de la década de 1930, cuando Edwin Hubble descubrió experimentalmente la expansión del universo (un hallazgo por otra parte apoyado por el desarrollo teórico que otros científicos habían hecho a partir de la relatividad general) Einstein reconoció su error y renunció al uso de su constante (llamada cosmológica).
Finalmente, en la última década del siglo pasado, quedó demostrado que el cosmos no sólo se expande, sino que lo hace cada vez más velozmente, y se acuñó el término energía oscura para referirse a la enigmática fuerza que alimenta esta aceleración. En el modelo cosmológico actual, esta energía se comportaría de manera parecida a la constante cosmológica original de Einstein, pero esta vez impulsado la expansión y no frenándola.
La cuestión es que, en las ecuaciones que dan cuenta del desarrollo del universo, aparece de nuevo un término que representa a la constante cosmológica y que, en numerosas interpretaciones, se considera como una energía asociada al espacio vacío. Siendo así, se esperaría que la densidad de esta energía fuese constante: a medida que el universo se expande, se crea más espacio que, a su vez, contribuye con más energía oscura, de forma que el resultado es que su densidad se conserva invariable y no se diluye.
DESI: ¿una constante que no es constante?
Sin embargo, existen cada vez más indicios que sugieren que la densidad de esta energía oscura podría variar con el tiempo (y/o con el espacio).
Así las cosas, no es extraño que la colaboración DESI haya levantado tanta expectación. Se trata de un instrumento instalado en el telescopio Nicholas U. Mayall del Observatorio de Kitt Peak en Arizona (EUA), y que cuenta con 5.000 pequeños dispositivos robóticos capaces de dirigir la débil radiación recibida hacia receptores especializados. El proyecto tiene previsto observar, durante cinco años, millones de galaxias en diferentes rangos de distancia (lo cual equivale a decir en diferentes períodos en la historia del cosmos) para estudiar cómo ha evolucionado el universo y poder validar el modelo cosmológico estándar o bien detectar pequeñas divergencias en él.
Estudiando las burbujas del pasado
La observación de nuestro universo, a gran escala, pone de manifiesto la presencia de grandes estructuras, formadas por cúmulos de galaxias y enormes espacios vacíos. Pero las acumulaciones de materia no aparecen distribuidas al azar, y los astrónomos han podido identificar un cierto patrón que se interpreta como un vestigio del cosmos primitivo.
Si se estudia cuál es la probabilidad de encontrar una galaxia alrededor de cualquier otra, se obtiene una curva que disminuye al alejarse. Sin embargo, y de forma significativa, se detecta un pequeño aumento de esta probabilidad hacia los 490 millones de años luz de distancia. Es decir, existe una presencia estadísticamente superior de materia formando una especie de esferas de 490 millones de años luz de radio.
La razón de la existencia de este patrón hay que buscarla en las ondas que se formaron en los instantes posteriores al Big Bang a causa de diminutas fluctuaciones en la densidad del plasma (la sopa caliente de partículas que componían el cosmos en aquel momento). Estas ondulaciones, que reciben el nombre de oscilaciones acústicas de bariones (en referencia a que se formaron a causa del movimiento de protones y neutrones, representantes de un grupo de partículas llamadas colectivamente bariones, y que se desplazaban a la velocidad del sonido en aquel medio), quedaron impresas en el espacio, crecieron a medida que se expandió el universo y se convirtieron en las semillas que concentraron la materia a su alrededor.
Por tanto, el estudio de la evolución de las grandes estructuras del cosmos a partir de las oscilaciones acústicas de bariones permite determinar cómo se ha desarrollado la expansión a lo largo de miles de millones de años.
Buscando en el bosque
La colaboración DESI también se centra en analizar la luz de galaxias muy antiguas y que, por tanto, ha viajado hacia nosotros durante gran parte de la historia del universo. Tal como comenta Andreu Font-Ribera, investigador en el Institut de Física d'Altes Energies en Barcelona y que ha co-liderado esta parte del estudio, el análisis permite detectar las concentraciones de gas que esta luz ha debido atravesar en su camino.
En concreto, Font-Ribera explica que las nubes de hidrógeno neutro en el universo absorben parte de la luz que las traspasa, y lo hacen siempre en una determinada longitud de onda: justamente la que se necesita para excitar el electrón del átomo de hidrógeno del primer al segundo nivel energético (una transición que recibe el nombre de Lyman-alfa).
Así, cuando se descompone la luz de una galaxia, la ausencia de radiación justo en la longitud de onda de Lyman-alfa delata la presencia de concentraciones de hidrógeno neutro entre el objeto y nosotros. Pero aun más interesante: la expansión del espacio desplaza el valor de longitud de onda en la que percibimos la transición Lyman-alfa, lo cual significa que, a medida que la luz de la galaxia lejana atraviesa distintas acumulaciones de hidrógeno en su viaje hacia nuestros instrumentos, las múltiples absorciones que ha sufrido su radiación aparecen en los espectros ligeramente movidas, creando un característico patrón que se conoce como el bosque Lyman-alfa.
Por tanto, el análisis del bosque Lyman-alfa permite, en palabras de Font-Ribera, reconstruir cómo era la distribución de gas en diferentes etapas del universo y estudiar el efecto que ha tenido en ella la expansión.
Para poder captar la luz de objetos extraordinariamente lejanos se ha recurrido a la observación de cuásares, galaxias con agujeros negros supermasivos en su interior que devoran materia. Este material, en su caída hacia el agujero negro, se calienta, por fricción, a millones de grados y emite una potente radiación que es unas 1.000 veces más brillante que la que genera una galaxia normal y que, por tanto, nuestros instrumentos pueden recibir a pesar de la distancia.
Primeros resultados
A partir de los datos de DESI, los científicos han podido realizar simulaciones barajando diferentes valores para los parámetros fundamentales del universo. El resultado es que el estudio confirma el modelo cosmológico actual: un universo dominado en un 69% por la energía oscura de densidad constante, y con un 31% de materia (en la cual es mayoritaria la denominada materia oscura fría, un ingrediente que no está formado por átomos y del cual todavía desconocemos su naturaleza).
La alarma ha surgido, sin embargo, cuando los investigadores han combinado DESI con la información proveniente de otros proyectos.
¿Hay algo escondido?
Licia Verde, investigadora ICREA de l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona y participante en DESI, explica que cuando los datos se analizan conjuntamente con los provenientes del fondo cósmico de microondas (la luz que se liberó poco después del Big Bang) y con algunos de los que se derivan del estudio de supernovas (explosiones de estrellas), los modelos parecen tener una cierta preferencia hacia una aceleración no constante de la expansión, es decir, hacia una energía oscura que podría ser variable en el tiempo.
A pesar de ello, los investigadores son cautos y advierten que no se trata, todavía, de una detección en toda regla. De momento, los indicios encontrados se sitúan en un rango de confianza del 99,87%, aun insuficiente como para descartar la posibilidad que lo hallado se deba a un efecto puramente estadístico. Pero Verde advierte que el indicio es suficientemente significativo como para que no "podamos esconderlo bajo la alfombra" y se deba investigar más.
Además, Aurelio Carnero, investigador del Instituto de Astrofísica de Canarias y también miembro de DESI, recuerda que ya existen otros síntomas que parecen indicar que "hay algo que no encaja" en nuestro conocimiento sobre el universo, refiriéndose a la diferencia que se obtiene del valor del ritmo de expansión actual del cosmos cuando se calcula utilizando métodos diferentes (un problema que se denomina la "tensión de Hubble" y que recientemente se ha visto confirmado).
Análisis ciego para asegurar
Dada la elevada precisión que se requiere en este tipo de proyectos, y en un intento por evitar sesgos involuntarios, los estudios realizados con las observaciones de DESI han utilizado un mecanismo consistente en modificar los datos durante la fase de proyecto en la que los científicos han debido desarrollar sus modelos de análisis.
Así, el equipo de investigadores no tuvo acceso a los datos reales hasta que no se completaron los modelos y se entrenaron con la información simulada. Tal como destaca Andreu Font-Ribera, esta aproximación, en cualquier caso necesaria, ha incrementado considerablemente la dificultad del trabajo de los científicos.
Las consecuencias
La confirmación de la variación en la densidad de la energía oscura tendría consecuencias profundas para la cosmología. Obligaría a replantear nuestro modelo de universo y aportaría pistas fundamentales para poder entender qué es realmente esta misteriosa energía o si la gravedad, a gran escala, no funciona como pensamos.
Aunque se trataría de una posibilidad excitante, su validación podría estar aun lejana en el tiempo. En este sentido, Aurelio Carnero señala que se requerirá sintonía entre diferentes estudios que utilicen técnicas distintas. Entre estos proyectos, Carnero destaca los basados en el telescopio espacial EUCLID (perteneciente a la agencia espacial europea y que ya se halla en órbita a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra) y en el Vera Rubin (un observatorio en construcción que contará con un instrumento de más de 8 metros de espejo y que impulsa la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos).