La gravedad dio forma a nuestro universo. Su efecto gravitacional convirtió las pequeñas diferencias en la cantidad de materia presente en el universo primitivo en las amplias franjas de galaxias que vemos hoy. Un nuevo estudio que utiliza datos del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI) muestra cómo esta estructura cósmica creció durante los últimos 11 mil millones de años, proporcionando la prueba más precisa hasta la fecha de la gravedad a muy gran escala.
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, los investigadores de DESI descubrieron que la gravedad se comporta según lo predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein. Los resultados validan el modelo principal de nuestro universo y limitan las posibles teorías de la gravedad modificada, que se han propuesto como una forma alternativa de explicar observaciones inesperadas, incluida la expansión acelerada de nuestro universo que comúnmente se atribuyen a la energía oscura.
“La relatividad general ha sido probada muy bien a escala del Sistema Solar, pero también debemos comprobar que nuestra hipótesis funciona a escalas mucho mayores”, afirmó Pauline Zaruk, cosmóloga del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS). Laboratorio de Física Nuclear y de Altas Energías (LPNHE), quien codirigió el nuevo análisis. “Estudiar la velocidad a la que se forman las galaxias nos permite probar directamente nuestras teorías y, hasta ahora, nos estamos alineando con lo que predice la relatividad general a escalas cósmicas”.
El estudio también proporciona un nuevo límite superior para la masa del neutrino, la única partícula fundamental cuya masa aún no se ha medido con precisión. Experimentos anteriores con neutrinos han demostrado que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos debería ser al menos 0,059 eV/c.2. (A modo de comparación, la masa de un electrón es de aproximadamente 511.000 eV/c2.) Los resultados de DESI indican que la suma debe ser inferior a 0,071 eV/c2dejando una ventana estrecha para la masa de neutrinos.
La colaboración DESI compartió sus hallazgos en varios artículos publicados hoy en el repositorio en línea arXiv. El complejo análisis utilizó casi 6 millones de galaxias y quásares y permitió a los investigadores mirar hacia atrás 11 mil millones de años. Con solo un año de datos, DESI ha producido la medida general más precisa del crecimiento estructural, superando esfuerzos anteriores que tardaron décadas en construirse.
Los resultados de hoy proporcionan un análisis ampliado de los datos del primer año de DESI, que en abril produjeron el mapa 3D más grande de nuestro universo hasta la fecha, y revelan indicios de que la energía oscura puede evolucionar con el tiempo. Los resultados de abril observaron una característica especial de los cúmulos de galaxias conocida como oscilaciones acústicas bariónicas (BAO). El nuevo análisis, llamado “análisis de forma completa”, amplía el alcance para extraer más información de los datos, midiendo cómo se distribuyen las galaxias y la materia en el espacio a diferentes escalas. El estudio requirió meses de trabajo adicional y controles cruzados. Al igual que en estudios anteriores, en última instancia se utilizó una técnica para ocultar los resultados a los científicos, mitigando cualquier sesgo inconsciente.
“Tanto nuestros resultados de BAO como el análisis a gran escala son espectaculares”, dijo Dragan Hutterer, profesor de la Universidad de Michigan y codirector del grupo de Interpretación de datos cosmológicos de DESI. “Esta es la primera vez que DESI observa el crecimiento de la estructura cósmica. Estamos demostrando una nueva y notable capacidad para investigar los cambios de gravedad y mejorar las limitaciones de los modelos de energía oscura. Y esto es sólo la punta del iceberg”.
DESI es un instrumento de última generación que puede capturar simultáneamente luz de 5.000 galaxias. Se construye y opera con fondos de la Oficina de Ciencias del DOE. DESI Nicholas U. de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. El telescopio Mayall de 4 metros está montado en el Observatorio Nacional Kitt Peak (un programa de NSF NOIRLab). El experimento se encuentra ahora en su cuarta fase de cinco años de estudio del cielo y planea recolectar alrededor de 40 millones de galaxias y cuásares para cuando finalice el proyecto.
Actualmente, la colaboración está analizando 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, lo que agrega anticipación para el próximo análisis.
“La materia oscura constituye aproximadamente una cuarta parte del universo, y la energía oscura representa otro 70 por ciento, y realmente no sabemos cuál es cuál”, dijo Marc Mauss, estudiante de doctorado en Berkeley Lab y UC Berkeley, quien dirige la teoría y el proceso de modelado de validación para el nuevo análisis. “La idea de que podamos tomar fotografías del universo y abordar estas grandes y fundamentales preguntas es alucinante”.
DESI cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE y el 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; Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas del Reino Unido; Fundación Gordon y Betty Moore; Fundación Huising-Simmons; Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA); Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías de México; Ministerio de Ciencia e Innovación de España; y por instituciones miembros de DESI.
La colaboración DESI se honra por permitir la investigación científica en E’oligam Duag (Kit Peak), una montaña de especial importancia para la nación Tohono O’Odham.