La colaboración científica Dark Energy Survey hace público un nuevo análisis de la expansión del universo

La colaboración Dark Energy Survey (DES) presenta resultados sobre la energía oscura que combinan, por primera vez, medidas de lentes gravitacionales débiles y de agrupamiento de galaxias utilizando los seis años completos de datos. En el artículo, que resume 18 trabajos científicos de apoyo, también se presentan los primeros resultados obtenidos al combinar las cuatro medidas diferentes de la energía oscura —oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), supernovas de tipo Ia, cúmulos de galaxias y lentes gravitacionales débiles— tal como se propuso en la concepción inicial de DES hace 25 años.

«DES muestra realmente cómo podemos utilizar múltiples sondas complementarias a partir de las mismas observaciones. Es la primera y única vez que se ha hecho en la generación actual de experimentos de energía oscura», afirma Martin Crocce, investigador científico del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), miembro del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) y co-coordinador del análisis. «Creo que es algo muy potente, y permite resultados más precisos y robustos».

El análisis ofrece nuevas medidas, más precisas, que reducen el abanico de modelos posibles sobre la evolución del universo. Estas medidas son más del doble de restrictivas que las obtenidas en análisis anteriores de DES y siguen siendo compatibles con los resultados previos.

«Hay algo muy emocionante en reunir distintas sondas cosmológicas, y DES es muy especial al contar con la experiencia necesaria para hacerlo», señala Chihway Chang, profesora asociada de la Universidad de Chicago y co-coordinadora del comité científico de DES.

Hace aproximadamente un siglo, los astrónomos observaron que las galaxias lejanas parecían alejarse de nosotros. De hecho, cuanto más distante es una galaxia, más rápido se aleja. Esto proporcionó la primera evidencia clave de que el universo se está expandiendo. Sin embargo, como el universo está dominado por la gravedad —una fuerza que atrae la materia—, los astrónomos esperaban que la expansión se ralentizara con el tiempo.

En 1998, dos equipos independientes de cosmólogos utilizaron supernovas distantes para descubrir que la expansión del universo se está acelerando en lugar de frenarse. Para explicar estas observaciones, propusieron un nuevo tipo de energía responsable de impulsar esta expansión acelerada: la energía oscura. Actualmente, los astrofísicos creen que la energía oscura constituye alrededor del 70% de la densidad de masa-energía del universo. Aun así, sabemos muy poco sobre ella.

En los años siguientes, los científicos comenzaron a diseñar experimentos para estudiar la energía oscura, entre ellos el Dark Energy Survey. España fue el primer socio internacional en unirse a Estados Unidos para fundar el proyecto DES en 2005. Su participación se articula a través de tres instituciones: el ICE-CSIC, con investigadores del IEEC, el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), además de investigadores del Instituto de Física Teórica (IFT/CSIC-UAM). Hoy en día, DES es una colaboración internacional de más de 400 astrofísicos y científicos de 35 instituciones en siete países, liderada por el Fermilab del Departamento de Energía de Estados Unidos.

Para estudiar la energía oscura, la colaboración DES llevó a cabo un cartografiado profundo y de gran área del cielo entre 2013 y 2019. La colaboración DES construyó una cámara digital extremadamente sensible de 570 megapíxeles, DECam, y la instaló en el telescopio Blanco de 4 metros del Observatorio Interamericano Cerro Tololo de la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos, en los Andes chilenos. Durante 758 noches a lo largo de seis años, la colaboración DES registró información de 669 millones de galaxias situadas a miles de millones de años luz de la Tierra, cubriendo una octava parte del cielo. Las instituciones españolas, además de haber colaborado de manera destacada en el diseño, fabricación, pruebas e instalación de DECam y en la toma de datos, hoy en día tienen importantes responsabilidades en la explotación científica de los datos.

«A partir de nuestras imágenes, podemos medir las formas de las galaxias y las sutiles distorsiones causadas por la gravedad, así como sus posiciones y la manera en que se agrupan en el cielo. Sin embargo, para interpretar estas mediciones también necesitamos saber a qué distancia se encuentran las galaxias. En la práctica, inferimos esas distancias a partir de sus colores, medidos mediante observaciones con distintos filtros», explica William d’Assignies Doumerg, estudiante de doctorado en el IFAE y miembro del equipo de calibración de distancias del Dark Energy Survey.

«La medida final de lentes gravitacionales de DES incluye alrededor de 150 millones de galaxias, un conjunto de datos de dimensiones extraordinarias. Esto resulta muy estimulante, pero también implica una gran responsabilidad: asegurarnos de que cada etapa del análisis sea plenamente robusta. En DES creemos haber estado a la altura de ese desafío. Gracias al desarrollo de nuevas metodologías y a la solidez de los resultados científicos, la colaboración ha presentado una medición que se consolidará como un hito durante muchos años y de la que podemos sentirnos legítimamente orgullosos.», afirma Simon Samuroff, investigador postdoctoral en el IFAE, que ha co-liderado el análisis cosmológico de las distorsiones de las galaxias.

En este análisis, DES comparó sus datos con dos modelos cosmológicos: el modelo estándar ΛCDM, con densidad de energía oscura constante, y un modelo extendido, wCDM, en el que esta densidad evoluciona con el tiempo. DES observó que sus datos concuerdan mayoritariamente con el modelo estándar de la cosmología. Los datos también se ajustan al modelo de energía oscura en evolución, pero no mejor que al modelo estándar.

Sin embargo, un elemento común a ambos modelos presenta una discrepancia llamativa. En análisis anteriores, el parámetro que describe cómo se agrupa la materia en el universo mostraba un valor distinto del predicho por ambos modelos a partir del agrupamiento observado en el universo temprano. En este nuevo análisis, al incorporar los datos más recientes, esa diferencia se amplió, aunque sin llegar al punto de permitir descartar el modelo estándar de la cosmología. La discrepancia persiste incluso cuando DES combina sus datos con los de otros experimentos.

«El Dark Energy Survey es una historia de éxito en la cosmología española. Hay toda una generación que ha crecido científicamente en DES, y estamos preparados para liderar la siguiente generación de experimentos cosmológicos» comenta Santiago Ávila, colíder del grupo de trabajo de Estructura a Gran Escala de DES y que realizó su doctorado en el IFT, pasó una etapa postdoctoral en el IFAE y actualmente es científico titular en el CIEMAT. 

A continuación, DES combinará este trabajo con las medidas más recientes procedentes de otros experimentos de energía oscura para investigar modelos alternativos de gravedad y energía oscura. Este análisis también es importante porque allana el camino para que el nuevo Observatorio Vera C. Rubin, financiado por la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos y la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de Estados Unidos, realice estudios similares con su Legacy Survey of Space and Time (LSST).

«Las mediciones serán cada vez más precisas en tan solo unos pocos años», afirmó Anna Porredon, co-líder del grupo de trabajo de Estructura a Gran Escala de DES y científica sénior del CIEMAT en Madrid. «Hemos dado un paso significativo en precisión, pero todas estas mediciones mejorarán mucho más con nuevas observaciones del Observatorio Rubin y otros telescopios. Es emocionante pensar que probablemente tendremos algunas respuestas definitivas sobre la energía oscura en los próximos 10 años».