Un estudio de más de 1.500 supernovas realizado por la Cámara de Energía Oscura ha impuesto fuertes limitaciones a la expansión acelerada del universo.
Los resultados sugieren que la misteriosa fuerza que impulsa esta aceleración cósmica, energía oscurapuede cambiar con el tiempo, variando en densidad, lo que pone en duda el modelo estándar de cosmología.
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Los resultados fueron entregados por la muestra más grande de supernovas jamás recolectado por un solo instrumento como parte del Dark Energy Survey. Las supernovas fueron parte integral del descubrimiento a finales de la década de 1990 de que el universo no sólo se está expandiendo, sino que también lo está haciendo a un ritmo acelerado.
Esto fue una gran sorpresa para los físicos, que esperaban que después de la rápida inflación inicial del cosmos durante el Big Bang. La expansión cósmica debería haberse ralentizado, pero se está acelerando.
Se sugirió la energía oscura como marcador de posición para cualquier aspecto desconocido del universo que esté causando esa misteriosa y preocupante aceleración cósmica, pero los científicos no pueden decir con certeza qué es. Ese problema se ve agravado por el hecho de que ahora se cree que la energía oscura representa entre el 65% y el 70% de la energía y la materia totales del cosmos.
El Estudio de Energía Oscura realizado por la Cámara de Energía Oscura montada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en el norte de Chile muestra que las observaciones de supernovas siguen siendo fundamentales para resolver el misterio que tales investigaciones desencadenaron hace 25 años.
Los nuevos resultados del Dark Energy Survey se presentaron en la 243ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense el 8 de enero de 2024, y el equipo detrás de ellos agregó que son consistentes con el modelo estándar de cosmología, la llamada “materia oscura fría Lambda”. modelo (ΛCDM), que presenta un universo con expansión acelerada.
Estos imponen las limitaciones más estrictas a la historia de la expansión a lo largo de los 13.800 millones de años de historia del cosmos, pero también dejan un respiro para modelos más complejos del universo.
Investigando la energía oscura con velas estándar
Para recopilar estos datos, la cámara de energía oscura de 570 megapíxeles construida por Fermilab observó el cielo sobre la Tierra durante 758 noches, observando 2 millones de personas distantes. galaxias. Dentro de ellos, la potente cámara detectó miles de supernovas.
De esta muestra, el aprendizaje automático pudo determinar que 1.499 eran un tipo especial de explosión estelar llamada supernova de Tipo Ia. Estos ocurren cuando estrellas muertas llamadas enanas blancas, que durante mucho tiempo han agotado el hidrógeno para impulsarse. fusión nuclear y convertirse en helio en sus núcleos, existen en un sistema binario con otra estrella.
El enanas blancas arrastran material de su estrella compañera o “donante” y, a medida que esta materia se acumula en la estrella muerta, puede empujar a la enana blanca más allá del llamado Límite de Chandrasekhar. Este es el límite de masa que necesita una estrella para convertirse en supernova.
Estas supernovas de Tipo Ia son tan uniformes que los científicos se refieren a ellas como “velas estándar” y su luz puede usarse para medir grandes distancias a través del cosmos.
Además, debido a que la longitud de onda de la luz de objetos distantes se extiende hacia el extremo rojo del espectro electromagnético, se produce un proceso llamado “corrimiento al rojo,” a medida que se alejan de la Tierra, la salida de luz uniforme de velas estándar a diferentes distancias se puede utilizar para medir la expansión del universo.
Comparar el corrimiento al rojo de supernovas de Tipo Ia más cercanas con el corrimiento al rojo de explosiones de enanas blancas más distantes y, por lo tanto, anteriores puede, por lo tanto, dar una idea de la fuerza de esta expansión y, por lo tanto, de la densidad de la materia oscura en los períodos correspondientes de la historia cósmica.
Los resultados del nuevo Dark Energy Survey triplican el número conocido de supernovas con un desplazamiento al rojo de alrededor de 0,2, lo que corresponde a una distancia de unos 2.500 millones años luz lejos. Quintuplica el número conocido de velas estándar con un desplazamiento al rojo de alrededor de 0,5, lo que se correlaciona con una distancia de unos 6 mil millones de años luz.
“Es una ampliación realmente masiva con respecto a hace 25 años, cuando sólo se utilizaron 52 supernovas para inferir la energía oscura”, dijo Tamara Davis, miembro del grupo de trabajo Dark Energy Survey y profesora de la Universidad de Queensland. dijo en un comunicado.
La energía oscura no siempre fue tan densa
Con un tamaño de muestra tan grande de supernovas de Tipo Ia a lo largo de distancias cósmicas tan amplias, el equipo podría trazar un registro de expansión cósmica al combinar las distancias de estas explosiones con la velocidad a la que se alejan de la Tierra.
Esto actuó como una indicación de si la densidad de energía oscura se había mantenido estable, lo que parecía no ser el caso.
“A medida que el universo se expande, la densidad de la materia disminuye”, dijo en el mismo comunicado el director y portavoz del Dark Energy Survey, Rich Kron. “Pero si la densidad de energía oscura es constante, eso significa que la proporción total de energía oscura debe aumentar a medida que aumenta el volumen”.
Esto podría ser un desafío para el modelo ΛCDM del universo, un modelo matemático que describe cómo evoluciona el universo con solo unas pocas características clave como la densidad de la materia, el tipo de materia y el comportamiento de la energía oscura.
Esto se debe a que ΛCDM supone que la densidad de la energía oscura es constante y no se diluye a medida que el universo se expande, algo que los resultados de estos estudios de supernovas sugieren que puede no ser cierto.
“Hay indicios tentadores de que la energía oscura cambia con el tiempo. Descubrimos que el modelo más simple de energía oscura, el ΛCDM, no es el que mejor se adapta”, añadió Davis. “No está tan lejos como para haberlo descartado, pero en la búsqueda de comprender qué está acelerando la expansión del universo, esta es una nueva e intrigante pieza del rompecabezas. Podría ser necesaria una explicación más compleja”.
Es posible que las respuestas a este enigma tengan que esperar hasta que comience la próxima generación de estudios de supernovas y se retome del Dark Energy Survey.
“Este resultado muestra claramente el valor de los proyectos de estudios astronómicos que continúan produciendo ciencia excelente mucho después de que la recopilación de datos haya finalizado”, dijo en el mismo comunicado el director del programa de la División de Ciencias Astronómicas de la Fundación Nacional de Ciencias, Nigel Sharp.
“Necesitamos tantos enfoques diversos como podamos para comprender qué es la energía oscura y qué no es. Esta es una ruta importante hacia esa comprensión”.
Los resultados del Dark Energy Survey se han enviado al Astrophysical Journal.