En un centro de convenciones frente al frente de la playa en Cancún, México, en diciembre pasado, Seshadri Nadathur presentó una tabla de crecimiento confidencial del universo. Sentados en la audiencia, cientos de sus compañeros científicos procesaron silenciosamente que la crónica cósmica, ya que habían llegado a saberlo, puede necesitar revisar. «Es lo más emocionante que ha sucedido en la cosmología en 25 años», dice Nadathur, un cosmólogo de la Universidad de Portsmouth en Inglaterra.
Durante casi tres décadas, los astrónomos han creído que el universo se está expandiendo cada vez más rápido y que la aceleración de este crecimiento es constante con el tiempo, impulsada por una fuerza misteriosa que llaman «energía oscura». En abril pasado, una encuesta realizada por el instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI) Sugerencias publicadas eso La energía oscura puede no ser tan constante como asumieronagregando a un montón de preocupaciones que ya amenazan el modelo estándar de cosmología. Hoy, Nadathur y sus colaboradores de Desi presentaron sus resultados de seguimiento públicamente en la Cumbre de Física Global de la Sociedad Física Americana y en múltiples documentos de preimpresión, validando aún más el presagio.
Después de casi triplicar la colección de coordenadas de galaxias de los investigadores, el nuevo análisis DESI proporciona la evidencia más fuerte hasta ahora que la tasa de expansión cósmica fluctúa, arrojando finalmente algo de luz sobre la energía oscura, que los científicos creen que constituye aproximadamente el 70 por ciento de todo en el universo.
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Aunque la evidencia aún no alcanza el punto de referencia de los físicos para un «descubrimiento», los expertos dicen que el nuevo resultado deja el modelo estándar en un estrecho terrible. Dar sentido a una energía oscura en evolución casi con certeza implicaría enmendar los fundamentos de la física para desbloquear la verdadera historia y el destino de nuestro universo.
«Es como golpear una vena de oro», dice Adam Riessque compartió el Premio Nobel de Física 2011 para El descubrimiento de la energía oscura y no estuvo involucrado en el nuevo trabajo. Suponiendo que el resultado se mantenga, «dice esta inversión que todos hemos estado haciendo que aún más que aprender va a dar sus frutos».
Tira y afloja cósmica
Hace alrededor de un siglo, los científicos comenzaron a darse cuenta de que el universo se está expandiendo hacia afuera de lo que ahora llaman Big Bang, la explosión de la energía que nació el espacio y el tiempo. A fines de la década de 1990, los científicos se propusieron medir cómo el crecimiento del universo se ralentiza gradualmente a medida que se extiende, solo para darse cuenta de que no se está desacelerando en absoluto. Estudiando la luz de las estrellas de Burst llamadas Supernovae, el grupo de Riess y otro equipo independiente confirmaron en 1998 que los objetos más alejados son de nosotros, más rápido están retrocediendo. En otras palabras, el espacio se está acelerando hacia afuera.
En los años desde entonces, los científicos se han mantenido en la oscuridad sobre lo que está causando el prolongado crecimiento del universo (de ahí el nombre de «energía oscura»). Para construir su modelo estándar de cosmología, los teóricos etiquetados contra sus ecuaciones de gravedad, una «constante cosmológica», un valor Albert Einstein propuso por primera vez en 1917 para explicar por qué el universo no colapsan gravitacionalmente. A pesar de Los físicos no entienden el origen De esta figura, su mejor suposición ha sido que el vacío del espacio en sí está imbuido de una energía constante que empuja hacia afuera sin descanso.
Hoy, la historia canónica de la evolución cósmica describe este tira y afloja entre el impulso inquebrantable de la energía oscura y la atracción gravitacional de la materia (incluidos los vastos depósitos de la «materia oscura fría» invisible que supuestamente pegan galaxias). Este modelo estándar pinta una imagen «loca exitosa» de cómo el universo evolucionó de un segundo a 14 mil millones de años, a pesar del hecho de que el 95 por ciento de los contenidos del modelo son completamente desconocidos, dice Kevork Abazajian, astrofísico de la Universidad de California, Irvine. «Pero también está roto». Una serie de medidas conflictivas sobre el tasa de expansión y el abolladería del cosmos ha arrojado cosmología a un enigma.
Como resultado, los cosmólogos han estado midiendo la tasa a la que la nada se expande con una precisión creciente. La aceleración había demostrado ser firme, hasta que comenzaron a mirar el sonido.
Ondas congeladas en el espacio
Poco después del Big Bang, el universo era una bola de fuego de partículas y luz de vuelo libre que se atravesaba, creando ondas de presión como las que obtendrías al tirar una roca en un estanque. Después de alrededor de 380,000 años, todo se había enfriado lo suficiente como para que se formara átomos, permitiendo que la luz fluya libremente sin topar constantemente con otras partículas (esta luz es la radiación de fondo de microondas cósmico que todavía podemos ver hoy). De repente, el estanque primordial se congeló, preservando un mosaico de ondas, todos alrededor de 490 millones de años luz. Estas ondas, conocidas como oscilaciones acústicas bariones, sembraron las semillas para que llegaran las galaxias, ofreciendo astrónomos de hoy una práctica piedra de toque estandarizada.
El instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI) mapea el universo recolectando espectros de millones de galaxias y cuásares.
Marilyn Sargent/Berkeley Lab
Encaramado en las montañas de Quinlan en el sur de Arizona, Desi está diseñado para recoger esas ondas de sonido congeladas en el tiempo. Sus 5,000 brazos robóticos de baile trazan los patrones de las galaxias, capturando más de 200,000 en una noche. Luego escupe su luz en un espectro, revelando la edad relativa de diferentes grupos de galaxias. Para los objetos a más de nueve mil millones de años luz de distancia, Desi detecta la materia por la forma en que absorbe la luz de los agujeros negros supermasivos que brillan en el fondo. En cada porción de la historia cósmica, el equipo busca rastros de las ondas en la distribución de la materia. Finalmente, superponiendo esas mediciones con observaciones del fondo de microondas cósmico y varias encuestas de supernovas, los investigadores pueden reconstruir un mapa tridimensional de la expansión del universo en los últimos 11 mil millones de años.
En abril pasado, la colaboración Desi de abril lanzó el análisis de su primer año de datos, lo que mostró algunos indicios de que la tasa de expansión cósmica no se alineó perfectamente con el modelo estándar. Pero los expertos dudaron en confiar en la señal de un experimento nuevo con observaciones limitadas. En esta ronda, Desi ha identificado casi 15 millones de galaxias de más de 24,000 exposiciones, una pocas de las cuales, los observadores, fueron desencadenados accidentalmente por el gato residente del telescopio Mimzi pisando el teclado.
Para evitar que sesgando subconscientemente su interpretación, los investigadores barajaron hábilmente las ubicaciones reales de las galaxias de modo que su análisis no les revelara la verdadera cosmología subyacente mientras todavía trabajaban en ello. Después de meses de estudio, cientos de colaboradores de DESI se reunieron en Cancún para «desbloquear» los resultados.
Días antes de la gran revelación, unos pocos investigadores seleccionados cambiaron silenciosamente en las verdaderas medidas y observaron que las parcelas lentamente tomarán forma. Uendert Andrade, un investigador postdoctoral de la Universidad de Michigan, pasó los siguientes días reuniendo su mejor cara de póker y esquivando los intentos de colegas de sacarle la respuesta. «Es realmente un poco mágico: eres una de las pocas personas en el mundo que saben esto», dice.
Cuando Nadathur hizo clic en su presentación, el mensaje quedó claro: la desviación no fue una casualidad. Las grietas en el modelo estándar solo se habían ampliado. «Algo tiene que romper en algún lugar», dice la colaboradora de Desi Claire Lamman, una estudiante graduada en el Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian.
Por su cuenta, las nuevas observaciones de Desi muestran una preferencia leve pero estadísticamente insignificante por una energía oscura en evolución. Pero cuando se combinan con los datos de otros experimentos de las encuestas de supernovas y el fondo cósmico de microondas, la confianza de que la energía oscura es de hecho se acerca al 99.997 por ciento, una indicación convincente que es que la barra generalmente se requiere para reclamar un descubrimiento físico. Crucialmente, no importa cuál de esos conjuntos de datos se omite, todos los resultados apuntan en la misma dirección. «Puedes quitar una pierna de las heces, y sigue en pie», dice Riess. «Pasa la prueba de olfateo que tengo para [taking] un resultado muy en serio «.
Reescritura de física
El análisis parece sugerir que la energía oscura se transforma con el tiempo, apareciendo un poco más débil hoy que la predicción de Einstein y un poco más fuerte en el universo temprano. Esta progresión tiene implicaciones para el destino final del universo: una energía oscura que es demasiado fuerte eventualmente podría destrozar todos los átomos, y uno que es demasiado débil podría atraer todo para cruzar hacia adentro.
Dejando a un lado el destino, la naturaleza cambiante de la energía oscura plantearía problemas profundos para la física fundamental actual. Una aceleración mayor que la descrita por la constante cosmológica evoca lo que los cosmólogos llaman «energía fantasma», que tiene una densidad cada vez mayor con el tiempo, algo prohibido por nuestra comprensión actual de la gravedad.
Suponiendo que los resultados se encuentren, esta incongruencia podría provocar una era de «cosmología del caos», dice Abazajian, quien recientemente publicó un artículo de preimpresión que mostraba cómo incluso los resultados de Desi anteriores Prefiere una energía oscura fluctuante. Conciliar esto, sugiere, requeriría descubrir una fuerza fundamental completamente nueva o darse cuenta de que nuestro universo tiene más de cuatro dimensiones. «No importa qué, estamos descubriendo una nueva física aquí», dice Abazajian. «No hay nada en la física estándar que permita una energía oscura en evolución».
Aunque los resultados no ayudan directamente a resolver las tensiones existentes en cosmología (relacionadas con el estiramiento y suavizado del universo), los investigadores esperan que las nuevas ideas puedan señalarlas hacia un modelo más resistente. En los próximos años, los experimentos con el satélite euclides y el próximo Observatorio Vera C. Rubin deben intervenir con punteros complementarios.
Los investigadores ya están comenzando a extraer los datos de DESI para pistas. Riess está intrigado por por qué una energía oscura en evolución se inclinaría alrededor del valor de la constante cosmológica que Einstein predijo en lugar de cualquier otro valor arbitrario. «Es casi como un huevo de Pascua, algo está oculto allí», dice.
Para muchos miembros superiores de Desi, los nuevos resultados traen un sentimiento de alivio. En la escuela de posgrado, Alexie Leauthaud, ahora en la Universidad de California, Santa Cruz, observó cómo otros cosmólogos debatían si su campo estaba destinado a morir. Temían que los experimentos de cosmología solo medirían la constante cosmológica con mayor precisión en vano. «Para muchas personas se sintió que estábamos persiguiendo estos puntos decimales», dice ella. «Al menos ahora nos dirigimos a alguna parte».
La importancia suena de manera diferente para los investigadores junior. Lamman señala cómo, desde que ha podido leer, los libros de texto de cosmología no han cambiado. «Este campo siempre ha sido el mismo, y lo he dado por sentado», dice ella. «No creo que haya internalizado completamente que pudiéramos encontrar algo nuevo».
Después de la Unblinding, Lamman y unas pocas docenas de sus colegas salieron corriendo a la playa para celebrar. Flotando en el océano, miró la manta de las estrellas y gritó al cielo, «¡Sabemos tu secreto!»