La gravedad ha dado forma a nuestro cosmos. Su atractiva influencia convirtió pequeñas diferencias en la cantidad de materia presente en el universo primitivo en las extensas hebras de galaxias que vemos hoy. Un nuevo estudio que utiliza datos del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI por sus siglas en inglés) ha rastreado cómo creció esta estructura cósmica durante los últimos 11 mil millones de años, proporcionando la prueba más precisa hasta la fecha de la gravedad a escalas muy grandes.
DESI es una colaboración internacional de más de 900 investigadores de más de 70 instituciones de todo el mundo y está gestionada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía. En su nuevo estudio, las y los investigadores de DESI descubrieron que la gravedad se comporta según lo predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein. El resultado valida nuestro modelo principal del universo y limita las posibles teorías de la gravedad modificada, que se han propuesto como formas alternativas de explicar observaciones inesperadas, incluida la expansión acelerada de nuestro universo que normalmente se atribuye a la energía oscura. “Llevo más de 17 años trabajando en teorías alternas de la gravedad, y los resultados que publica hoy DESI cierran la ventana a muchos de nuestros modelos,” menciona el Dr. Gustavo Niz, investigador de la UG, quien desde la dirección del Consejo Editorial de DESI coordinó de forma cercana las publicaciones de DESI del año uno.
“La relatividad general ha sido probada muy bien a escala de sistemas solares, pero también necesitábamos probar que nuestra hipótesis funciona a escalas mucho mayores”, dijo Pauline Zarrouk, cosmóloga del Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS por sus siglas en francés), trabajando dentro del Laboratorio de Física Nuclear y de Altas Energías (LPNHE por sus siglas en francés), y quien codirigió el nuevo análisis. “Estudiar el ritmo al que se formaron las galaxias nos permite probar directamente nuestras teorías y, hasta ahora, nos estamos alineando con lo que predice la relatividad general a escalas cosmológicas”.
El estudio también proporcionó nuevos límites superiores para la masa de los neutrinos, las únicas partículas fundamentales cuyas masas aún no se han medido con precisión. Experimentos anteriores con neutrinos encontraron que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos debería ser al menos 0,059 eV/c2. (A modo de comparación, un electrón tiene una masa de aproximadamente 511.000 eV/c2.) Los resultados de DESI indican que la suma debería ser inferior a 0,071 eV/c2, lo que deja una ventana estrecha para las masas de los neutrinos. “Es impresionante ver cómo un experimento cosmológico puede acotar la masa de las diminutas partículas elementales”, destaca el Dr. Alejandro Avilés del Instituto de Ciencias Físicas de la UNAM, cercano colaborador del Dr. Niz en el estudio de DESI sobre la masa de los neutrinos.
La colaboración DESI compartió sus resultados en varios artículos publicados hoy en el repositorio en línea arXiv. El complejo análisis utilizó casi 6 millones de galaxias y quásares y permite a los investigadores ver hasta 11 mil millones de años en el pasado. Con sólo un año de datos, DESI ha realizado la medición general más precisa del crecimiento de la estructura, superando esfuerzos anteriores que tardaron décadas en realizarse.
Los resultados de hoy proporcionan un análisis ampliado de los datos del primer año de DESI, que en abril crearon el mapa 3D más grande de nuestro universo hasta la fecha y revelaron indicios de que la energía oscura podría estar evolucionando con el tiempo. Los resultados de abril observaron una característica particular de cómo se agrupan las galaxias conocidas como oscilaciones acústicas bariónicas (BAO por sus siglas en inglés). El nuevo análisis, llamado “análisis de la Forma Completa”, amplía el alcance para extraer más información de los datos, midiendo cómo se distribuyen las galaxias y la materia 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 para ocultar el resultado a los científicos hasta el final, mitigando cualquier sesgo inconsciente. “Este nuevo análisis sigue siendo excitante, dada la preferencia de los datos por modelos cuya energía oscura no es constante en el tiempo” indica el Dr. Luis Ureña, profesor investigador de la UG, quien fue parte del análisis de abril.
“Tanto nuestros resultados de BAO como el análisis de la Forma Completa son espectaculares”, dijo Dragan Huterer, profesor de la Universidad de Michigan y codirector del grupo de DESI que interpreta los datos cosmológicos. “Esta es la primera vez que DESI analiza el crecimiento de la estructura cósmica. Estamos mostrando una tremenda capacidad nueva para sondear la gravedad modificada y mejorar las limitaciones de los modelos de energía oscura. Y es sólo la punta del iceberg”.
DESI es un instrumento de última generación que puede capturar luz de 5.000 galaxias simultáneamente. Fue construido y opera con fondos de la Oficina de Ciencias del DOE. DESI está montado en el telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. en el Observatorio Nacional Kitt Peak (un programa de NSF NOIRLab). El experimento se encuentra ahora en el cuarto de cinco años de estudio del cielo y planea recolectar aproximadamente 40 millones de galaxias y cuásares para cuando finalice el proyecto.
La colaboración está analizando actualmente los primeros tres años de datos recopilados y espera presentar mediciones actualizadas de la energía oscura y la historia de expansión de nuestro universo en la primavera de 2025. Los resultados ampliados de DESI publicados hoy son consistentes con la preferencia anterior del experimento por una energía oscura en evolución. aumentando la anticipación del próximo análisis. “Aunque el experimento toma datos de forma más eficiente de lo esperado, su análisis riguroso toma tiempo y demanda un gran esfuerzo de muchos participantes”, destaca la Dra. Alma González quien fue líder de uno de los trabajos insignia de abril pasado y de reciente contratación en la UG. “No hay pausas en el análisis, de las publicaciones del año uno hemos brincado inmediatamente al análisis de los datos del año tres”.
“La materia oscura constituye aproximadamente una cuarta parte del universo, y la energía oscura representa otro 70 por ciento, y no sabemos realmente qué es ninguna de las dos”, dijo Mark Maus, estudiante de doctorado en Berkeley Lab y UC Berkeley que trabajó en Infraestructura de modelado de teoría y validación para el nuevo análisis. “La idea de que podamos tomar fotografías del universo y abordar estas grandes cuestiones fundamentales es alucinante”.
DESI cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE y del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. La Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. proporciona apoyo adicional para DESI; el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido; la Fundación Gordon y Betty Moore; la Fundación Heising-Simons; la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA); el Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías de México (CONAHCYT); el Ministerio de Ciencia e Innovación de España; y por las instituciones miembros de DESI. Esta colaboración realiza investigaciones científicas en I’oligam Du’ag (Kitt Peak), una montaña con particular importancia para la nación Tohono O’odham.
El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) se compromete a brindar soluciones para la humanidad a través de la investigación en energía limpia, un planeta saludable y descubrimientos científicos. Fundado en 1931 con la creencia de que los problemas más grandes se abordan mejor en equipo, Berkeley Lab y sus científico(a)s han sido reconocidos con 16 premios Nobel. Investigadores de todo el mundo confían en las instalaciones científicas de primer nivel del laboratorio para sus propias investigaciones pioneras. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos de América y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.