El Estudio de la Energía Oscura: Revelando lo invisible

La humanidad ha recorrido un largo camino para llegar a la comprensión actual del Universo. A finales del siglo XVII, Issac Newton sentó las bases de la mecánica clásica al definir sus tres leyes del movimiento. Sin embargo, a lo largo de los siglos, surgieron observaciones astronómicas que no podían explicarse con la mecánica clásica. Por ejemplo, la órbita de Mercurio no se comporta como se podría esperar, ya que traza un patrón en bucle que resulta inexplicable con sólo una comprensión newtoniana de la gravedad.

“Sin embargo, descubrieron todo lo contrario: la velocidad de expansión del Universo no disminuía, ni siquiera se estabilizaba, sino que aumentaba”.

En 1915, Albert Einstein publicó su teoría general de la relatividad, que propuso una extraordinaria explicación para el desconcertante comportamiento de Mercurio: la curvatura del propio tejido del espacio y el tiempo (espacio-tiempo). En 1998, dos equipos independientes de astrónomos intentaron medir la velocidad de la expansión del Universo, que debería ralentizarse según la mecánica clásica y la relatividad general. Sin embargo, descubrieron todo lo contrario: la velocidad de expansión del Universo no disminuía, ni siquiera se estabilizaba, sino que aumentaba.

Las consecuencias de este descubrimiento fueron colosales. En primer lugar, existía la posibilidad que la relatividad general proporcionara una imagen incompleta del comportamiento de la gravedad a escala universal. Como la relatividad general había demostrado ser tan sólida, esto era difícil de aceptar. Sin embargo, la explicación alternativa era igual de descabellada. Esa explicación sugiere que existe una energía impregnando uniformemente nuestro Universo y que es inmune a la atracción de la gravedad.

Este concepto estaría relacionado con la idea de Einstein de una constante cosmológica, una energía aún no detectada que invade todo el Universo. Se trata de una propuesta fascinante, a pesar de que el propio Einstein la calificara como “su más grande error”. O tal vez esta energía provenga de una forma desconocida de materia, denominada quintaesencia por los científicos. Esta cantidad desconocida ha sido bautizada como energía oscura y es la parte misteriosa del presupuesto de materia y energía del Universo que el Estudio de la Energía Oscura (DES, por sus siglas en inglés) trata de comprender mejor.

El estudio DES –financiado por el Departamento de Energía de EE.UU, la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU, entre otros socios– fue un proyecto monumental que llevó a cabo observaciones desde 2013 hasta 2019, y durante todo ese tiempo, registró la impresionante cifra de 758 noches de observación. Estas observaciones se realizaron con la Cámara de Energía Oscura (DECam) de 570 megapíxeles fabricada especialmente por el Departamento de Energía de Estados Unidos y montada en el Telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco del Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), un Programa de NOIRLab de NSF. NOIRLab fue uno de los miembros fundadores de la Colaboración DES y un actor clave en la puesta en marcha de DES.

La Cámara de Energía Oscura (DECam), fabricada por el Departamento de Energía, está montada en el Telescopio de 4 metros Víctor M. Blanco en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) en el norte-centro de Chile.

Credit: DOE/FNAL/DECam/R. Hahn/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

La Colaboración DES utiliza un enfoque de cuatro técnicas para estudiar la energía oscura: la observación de miles de supernovas con el fin de cuantificar la historia de la expansión del Universo; la observación de lentes gravitacionales tenues y de cúmulos de galaxias, para comprender cómo se formó la estructura del Universo y determinar la cantidad de materia en él; y la medición de la distribución de las galaxias en todo el Universo con una técnica llamada Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO por sus siglas en inglés). Estas cuatro técnicas merecen sus propios artículos en el blog, pero en resumen, todas permiten un análisis observacional muy sofisticado, que mejorará nuestra comprensión de la historia, estructura y composición de nuestro Universo.

El estudio DES completó su observación en 2019, y varias publicaciones tempranas de sus datos permitieron a los astrónomos aprovechar la riqueza de datos lo antes posible. No obstante, el enorme volumen de datos recopilados significa que el análisis aún está en curso, y se prevé que los resultados finales estén disponibles en 2024.

“Por supuesto, obtener los datos es sólo el primer paso”, afirma el Dr. Alistair Walker, científico del instrumento DECam en CTIO. “La siguiente etapa es el análisis de los datos, que requiere el desarrollo de nuevas técnicas y un cuidado extraordinario con la sistemática y la estadística”.

La Cámara de Energía Oscura (DECam) fue diseñada específicamente para el Estudio de Energía Oscura. Fue construida y financiada por el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) y probada por Fermilab del DOE.

Credit: DOE/FNAL/DECam/R. Hahn/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

Los análisis de los primeros datos publicados ya produjeron resultados fascinantes, como la aparición de pruebas convincentes de la existencia de una constante cosmológica, lo que sugiere que Einstein podría haber estado en lo cierto desde el principio. También han ofrecido nuevas perspectivas sobre las galaxias, las supernovas, la evolución estelar, los objetos celestes del Sistema Solar y la naturaleza de las ondas gravitacionales.

“Quizás lo más tentador de todo es que los datos del estudio DES están demostrando que las galaxias parecen estar distribuidas de una forma que no puede explicarse completamente con el modelo cosmológico estándar”.

Quizás lo más tentador de todo es que los datos del estudio DES están demostrando que las galaxias parecen estar distribuidas de una forma que no puede explicarse completamente con el modelo cosmológico estándar (el modelo que sustenta a la física de partículas y describe todas las interacciones fundamentales, incluida la gravedad).

Es importante señalar que la publicación final de los datos de DES no significa el fin de la búsqueda de la energía oscura. DES era un programa de “Fase III”, tal y como lo definió el Grupo de Trabajo sobre Energía Oscura (¡sí, hubo un Grupo de Trabajo sobre Energía Oscura!), lo que significa que pretendía ser un programa relativamente pequeño y rápido sobre el que pudieran construirse proyectos de “Fase IV” más grandes y a más largo plazo, con posibilidades de incluir proyectos de “Fase V” en la década de 2030 y más allá. De este modo, DES ha sentado las bases para el desarrollo continuo de la comprensión de nuestro Universo por parte de la humanidad.