Un equipo internacional de astrónomos presentó el miércoles la evidencia más convincente hasta la fecha en que la energía oscura, un fenómeno misterioso que empuja a nuestro universo a expandirse cada vez más rápido, no es una fuerza constante de la naturaleza sino una que fluye y fluye a través del tiempo cósmico.
La energía oscura, sugiere la nueva medición, puede no renunciar a nuestro universo a un destino de ser desgarrado en cada escala, desde los grupos de galaxias hasta los núcleos atómicos. En cambio, su expansión podría disminuir, eventualmente dejando el establo del universo. O el cosmos incluso podría revertir el curso, eventualmente condenado a un colapso al que los astrónomos se refieren como el gran crujido.
Los últimos resultados refuerzan una pista tentadora de abril pasado que algo estaba mal con el modelo estándar de cosmología, la mejor teoría de los científicos de la historia y la estructura del universo. Las medidas, del año pasado y este mes, provienen de una colaboración que ejecuta el instrumento espectroscópico de energía oscura, o DESI, en un telescopio en el Observatorio Nacional Kitt Peak en Arizona.
“Ahora es un poco más que una pista”, dijo Michael Levi, cosmólogo del Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley y director de Desi. “Nos pone en conflicto con otras medidas”, agregó el Dr. Levi. “A menos que la energía oscura evolucione, entonces, chico, todos los patos se alinean en una fila”.
El anuncio se realizó en una reunión de la American Physical Society en Anaheim, California, y acompañado por un conjunto de documentos que describen los resultados, que se están presentando para revisión y publicación de pares en la revista física de la revista D.
“Es justo decir que este resultado, tomado al pie de la letra, parece ser la mayor pista que tenemos sobre la naturaleza de la energía oscura en los ~ 25 años desde que lo descubrimos”, Adam Riess, un astrofísico de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, que no participó en el trabajo, pero compartió el Premio Nobel de 2011 en el Premio del Premio Dark Energy, escribió en un correo electrónico.
Pero incluso cuando las observaciones de DESi desafiaron el modelo estándar de cosmología, un resultado separado lo ha reforzado. El martes, el equipo multinacional que dirigió el telescopio de Cosmology Atacama en Chile lanzó las imágenes más detalladas jamás tomadas del universo infantil, cuando tenía solo 380,000 años. (Ese telescopio fue desmantelado en 2022.)
Su informe, aún no revisado por pares, parece confirmar que el modelo estándar estaba funcionando como se esperaba en el universo temprano. Un elemento en ese modelo, la constante del Hubble, describe cuán rápido se está expandiendo el universo, pero durante las últimas mediciones de la constante del medio siglo, han estado en desacuerdo, una inconsistencia conocida como la tensión del Hubble. Los teóricos han reflexionado que quizás un brote adicional de energía oscura en el universo muy temprano, cuando las condiciones eran demasiado calientes para que los átomos se formaran, podría resolver esta tensión.
Los últimos resultados de Atacama parecen descartar esta idea. Pero no dicen nada sobre si la naturaleza de la energía oscura podría haber evolucionado más adelante en el tiempo.
Ambos informes evocaron elogios efusivos de otros cosmólogos, que confesaron simultáneamente una confusión cósmica sobre lo que significaba todo.
“No creo que quede mucho en pie como buenas ideas para lo que podría explicar la tensión del Hubble en este momento”, dijo Wendy Freedman, una cosmóloga de la Universidad de Chicago que ha pasado su vida midiendo el universo y no participó en ninguno de los estudios.
Michael Turner, un teórico de la Universidad de Chicago, que tampoco participó en los estudios, dijo: “La buena noticia es que no hay grietas en el huevo cósmico. La mala noticia es que no hay grietas en el huevo cósmico”.
El Dr. Turner, quien acuñó el término “energía oscura”, agregó que si había una grieta, “no ha abierto lo suficientemente amplio, todavía, para que veamos claramente la próxima gran cosa en cosmología”.
Los astrónomos a menudo comparan galaxias en un universo en expansión con las pasas en un pastel de hornear. A medida que la masa se eleva, las pasas se llevan más separadas. Cuanto más sean del otro, más rápido se separarán.
En 1998, dos grupos de astrónomos midieron la expansión del universo al estudiar el brillo de un cierto tipo de supernova, o estrella explosiva. Dichas supernovas generan la misma cantidad de luz, por lo que parecen previsiblemente más débiles a distancias más alejadas. Si la expansión del universo se desacelera, como creían los científicos en ese momento, la luz de las explosiones lejanas debería haber parecido un poco más brillante que prevista.
Para su sorpresa, los dos grupos encontraron que las supernovas eran más débiles de lo esperado. En lugar de disminuir, la expansión del universo en realidad se estaba acelerando.
Ninguna energía conocida por los físicos puede impulsar una expansión acelerada; Su fuerza debería disminuir mientras se extiende cada vez más a través de un universo global. A menos que esa energía provenga del espacio mismo.
Esta energía oscura llevaba todas las marcas de un factor de dulce que Albert Einstein insertó en su teoría de la gravedad en 1917 para explicar por qué el universo no se derrumbaba bajo su propio peso. El factor de azúcar, conocido como la constante cosmológica, representaba una especie de repulsión cósmica que equilibraría la gravedad y estabilizaría el universo, o eso pensó. En 1929, cuando quedó claro que el universo se estaba expandiendo, Einstein abandonó la constante cosmológica y, según los informes, lo llamó su mayor error.
Pero era demasiado tarde. Una característica de la teoría cuántica ideada en 1955 predice que el espacio vacío es espuma con energía que produciría una fuerza repulsiva al igual que el factor de dulce de Einstein. Para el último cuarto de siglo, esta constante ha sido parte del modelo estándar de cosmología. El modelo describe un universo nacido hace 13.8 mil millones de años, en una chispa colosal conocida como Big Bang, y compuesta por un 5 por ciento de materia atómica, 25 por ciento de materia oscura y 70 por ciento de energía oscura. Pero el modelo no dice qué son realmente la materia oscura o la energía oscura.
Si la energía oscura realmente es constante de Einstein, el modelo estándar presagia un futuro sombrío: el universo seguirá acelerando, para siempre, cada vez más oscuro. Las galaxias distantes eventualmente estarán demasiado lejos para ver. Toda la energía, la vida y el pensamiento serán absorbidos del cosmos.
‘Algo para ir después’
Los astrónomos en el equipo Desi están tratando de caracterizar la energía oscura al examinar las galaxias en diferentes épocas de tiempo cósmico. Pequeñas irregularidades en la propagación de la materia en todo el universo primordial han influido en las distancias entre las galaxias de hoy, distancias que se han expandido, de manera medible, junto con el universo.
Los datos utilizados para la última medición de DESI consistieron en un catálogo de casi 15 millones de galaxias y otros objetos celestiales. Solo, el conjunto de datos no sugiere que nada esté mal con la comprensión teórica de la energía oscura. Pero combinado con otras estrategias para medir la expansión del universo, por ejemplo, estudiar estrellas explosivas y la luz más antigua del universo, emitida unos cien mil años después del Big Bang, los datos ya no se alinearon con lo que predice el modelo estándar.
La discrepancia entre los datos y la teoría es como máximo 4.2 Sigma (en las unidades de incertidumbre preferidas por los físicos), lo que representa uno de cada 50,000 posibilidades de que los resultados sean una casualidad. Pero el desajuste aún no se encuentra en cinco sigma (igual a uno de cada 3.5 millones de oportunidades), el estricto estándar establecido por los físicos para reclamar un descubrimiento.
Aún así, la desconexión es sugerente de que algo en el modelo cosmológico no se comprenda bien. Los científicos podrían necesitar revisar cómo interpretan la gravedad o dan sentido a la luz antigua del Big Bang. Los astrónomos de Desi piensan que el problema podría ser la naturaleza de la energía oscura.
“Si presentamos una energía oscura dinámica, entonces las piezas del rompecabezas encajan mejor”, dijo Mustapha Ishak-Boushaki, cosmólogo de la Universidad de Texas en Dallas que ayudó a liderar el último análisis Desi.
Will Percival, un cosmólogo de la Universidad de Waterloo en Ontario y un portavoz de la colaboración Desi, expresó emoción por lo que se encuentra en el horizonte. “Esto es en realidad un poco de tiro en el brazo para el campo”, dijo. “Ahora tenemos algo que perseguir”.
En la década de 1950, los astrónomos afirmaron que solo se necesitaban dos números para explicar la cosmología: uno relacionado con la rapidez con que el universo se estaba expandiendo y otro describiendo su desaceleración, o cuánto se estaba desacelerando esa expansión. Las cosas cambiaron en la década de 1960, con el descubrimiento de que el universo estaba bañado a la luz de The Big Bang, conocido como el fondo cósmico de microondas. La medición de esta radiación de fondo permitió a los científicos investigar la física del universo temprano y la forma en que las galaxias se formaron y evolucionaron posteriormente. Como resultado, el modelo estándar de cosmología ahora requiere seis parámetros, incluida la densidad de la materia ordinaria y oscura en el universo.
A medida que la cosmología se ha vuelto más precisa, han surgido tensiones adicionales entre los valores predichos y medidos de estos parámetros, lo que lleva a una profusión de extensiones teóricas al modelo estándar. Pero los últimos resultados del telescopio de Cosmología Atacama, los mapas más claros hasta la fecha del fondo de microondas cósmico, parecen golpear la puerta a muchas de estas extensiones.
Desi continuará recopilando datos durante al menos otro año. Otros telescopios, en el suelo y en el espacio, están trazando sus propios puntos de vista del cosmos; Entre ellos se encuentran la instalación transitoria Zwicky en San Diego, el telescopio espacial euclides europeo y la misión Spherex recientemente lanzada de la NASA. En el futuro, el Observatorio Vera C. Rubin comenzará a registrar una película del cielo nocturno desde Chile este verano, y el telescopio espacial romano de la NASA se lanzará en 2027.
Cada uno empapará la luz del cielo, midiendo piezas del cosmos desde diferentes perspectivas y contribuyendo a una comprensión más amplia del universo en su conjunto. Todos sirven como recordatorios continuos de qué huevo tan duro es el universo para romper.
“Cada uno de estos conjuntos de datos viene con sus propias fortalezas”, dijo Alexie Leauthaud, cosmóloga de la Universidad de California, Santa Cruz, y portavoz de la colaboración Desi. “El universo es complicado. Y estamos tratando de desenredar muchas cosas diferentes”.
