El universo se está portando mal.
Tras su nacimiento en el Big Bang, hace casi 14 mil millones de años, el cosmos comenzó a expandirse. Y durante la mayor parte del siglo XX, los científicos asumieron que la gravedad desaceleraría gradualmente esa expansión, con toda la materia del universo actuando como arrastre.
Pero las observaciones realizadas a finales de los años 1990 mostraron que eso está lejos de ser el caso. Estimaciones cuidadosas y de alta precisión de distancias cósmicas utilizando una clase especial de estrellas en explosión llamadas supernovas de tipo Ia revelaron que, contra todas las expectativas, la expansión del universo en realidad se está acelerando. Esto es similar, a escalas cósmicas, a lanzar una pelota por encima de la cabeza sólo para verla volar a una velocidad cada vez mayor en lugar de volver a caer. La cuestión de “por qué” puede suceder esto sigue en pie. Uno de los misterios más apremiantes de la física..
“Los teóricos se están divirtiendo mucho”, afirma Tamara Davis, astrofísica de la Universidad de Queensland en Australia. “Hay cientos y cientos de teorías sobre lo que está impulsando la aceleración cósmica”.
Los científicos generalmente llaman a la culpable energía oscura, pero nadie sabe qué es. Su comportamiento, sin embargo, puede ofrecer una pista potente sobre su identidad: si el efecto acelerador de la expansión de la energía oscura se mantiene estable en el tiempo, esto encajaría bastante cómodamente dentro de lo que se conoce como el modelo estándar de cosmología, la mejor explicación global de la evolución del universo que los científicos han ideado hasta ahora. El problema es que nadie ha podido decir con certeza si la energía oscura es realmente tan fija y si la fuerza de la energía oscura es tan fija. poder cambian con el tiempo, reconciliar esto con el resto de la física puede requerir repensar nuestra comprensión de la gravedad.
El problema impulsó a un grupo internacional de más de 400 científicos, incluido Davis, a comenzar a colaborar hace aproximadamente una década en un programa de observación llamado Dark Energy Survey (DES). Los investigadores construyeron una cámara especial para usar con el Telescopio Víctor M. Blanco en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile, e informaron los resultados más recientes y autorizados de sus ambiciosos esfuerzos a principios de este mes en una reunión anual de la Sociedad Astronómica Estadounidense. El grupo también tiene publicó sus hallazgos al servidor de preimpresión arXiv.org.
Noche tras noche durante cinco años, el equipo buscó el mismo tipo de supernovas que llevaron por primera vez al descubrimiento de la energía oscura. Todas las supernovas de tipo Ia liberan aproximadamente la misma cantidad de luz cuando ocurren, lo que las convierte en “reglas” útiles para calcular distancias cósmicas. Los astrónomos pueden saber a qué distancia se encuentra una supernova de tipo Ia midiendo su brillo. Combinar esa distancia con una medición separada de qué tan rápido se aleja la supernova de la Tierra revela la velocidad a la que se expandía el cosmos cuando tuvo lugar ese cataclismo estelar. Esta segunda medición implica examinar el espectro de una supernova: dividir su luz en colores constituyentes y ver cuán enrojecidos están debido a que las longitudes de onda de la luz se estiran por la expansión cósmica. Cuanto mayor es el “desplazamiento al rojo” de un objeto, más rápido se aleja ese objeto de nosotros.
Alrededor de 50 supernovas, la mayoría con corrimientos al rojo bajos y provenientes del universo relativamente cercano, forman la base para el descubrimiento de la energía oscura en 1998. Sin embargo, investigar si la energía oscura podría cambiar a lo largo de los eones y cómo hacerlo exige determinar las distancias y velocidades de las supernovas desde una franja mucho más grande del espacio-tiempo. Con DES, dice Davis, “queríamos ver si la energía oscura ha sido la misma a lo largo de la historia del universo, y la única manera de hacerlo es viendo qué era en el pasado”. Al final, el proyecto encontró y estudió más de 1.500 explosiones estelares reveladoras, muchas de ellas con altos corrimientos al rojo provenientes de las profundidades más lejanas del cosmos.
Nuevo análisis, mismos resultados desconcertantes
Para detectar nuevas supernovas de tipo Ia, “tuvimos que jugar el juego de ‘encontrar las diferencias en las fotos'”, dice Maria Vincenzi, cosmóloga de la Universidad de Duke y colaboradora del DES, quien codirigió el esfuerzo de cosmología de supernovas del grupo. “Miras imágenes de una noche a otra para ver si ves algo llamativo”.
Los investigadores del DES tuvieron que examinar alrededor de 19.000 “pops” que identificaron en busca del tipo correcto. Para analizar un conjunto de datos tan grande, el equipo desarrolló nuevas técnicas de aprendizaje automático que hicieron que el proceso fuera aproximadamente 100 veces más rápido.
Pero ni siquiera eso fue suficiente: aunque la automatización inteligente ahorra tiempo en la selección inicial de candidatos, determinar el desplazamiento al rojo de cada uno normalmente requiere obtener más datos. Esta puede ser una tarea urgente y complicada porque la recopilación del espectro de diagnóstico de una supernova debe ocurrir antes de que su luz se desvanezca y requiere asegurar montones de tiempo de observación ferozmente competido en un gran telescopio. “Sólo se necesitan unos cinco minutos para tomar una fotografía de una supernova, frente a varias horas para obtener su espectro”, dice Davis.
La solución del equipo DES fue medir los desplazamientos al rojo de la presunta galaxia anfitriona de cada candidato marcado por computadora, en lugar del candidato en sí, utilizando tiempo dedicado en el Telescopio Anglo-Australiano en Coonabarabran, Australia. “Así que eso es lo que te permite sentarte, relajarte y tomar el espectro cuando quieras cuando quieras, porque no tienes prisa por captar la luz de la supernova”, dice Davis.
Y a partir de esto, el mayor y mejor estudio de supernovas distantes jamás realizado, ¿qué encontraron?
“El artículo de DES explora si existe una necesidad imperiosa de complejidad adicional en el [standard] modelo cosmológico y descubre que la respuesta es no”, dice Charles Bennett, cosmólogo de la Universidad Johns Hopkins, que no participó en DES. “Esto no significa que la naturaleza no sea más compleja, sino que no tenemos pruebas suficientemente convincentes para modelos más complicados”.
Sin embargo, como señala Vincenzi, “los resultados están literalmente en el límite entre apoyar el modelo estándar y sugerir, en cambio, que la aceleración del universo no ha sido constante a lo largo del tiempo”.
Básicamente, el equipo utilizó más y mejores datos para llegar a la misma conclusión desconcertante que motivó su búsqueda en primer lugar. A pesar de ser la mejor estimación de la energía oscura basada en supernovas realizada hasta ahora, el resultado de DES se ubica casi asombrosamente en el reducido espacio liminal donde la certeza sigue siendo difícil de alcanzar. Y por eso, incluso ahora, nadie puede decir si nuestras leyes de gravedad necesitan revisión.
El camino hacia la iluminación
Muchas de las mismas técnicas de aprendizaje automático desarrolladas por el equipo DES podrían aplicarse, en los próximos años, a conjuntos de datos mucho más grandes, lo que sometería a la energía oscura a una prueba aún más estricta. En lugar de encontrar cientos o miles de nuevas supernovas de tipo Ia, instalaciones como el Observatorio Vera C. Rubin en Chile probablemente encontrarán milloneslo que exigirá formas más eficientes de analizar todos esos datos.
“No sería posible seguir en vivo cada supernova; simplemente no hay suficientes recursos de telescopios en el mundo”, afirma Davis.
Los astrónomos también utilizarán observatorios como el próximo Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA para investigar la historia de la expansión del universo aún más atrás en el tiempo, estudiando supernovas y tomando una gran cantidad de otros enfoques.
“Tenemos que medir la historia de la expansión del universo y el crecimiento de la estructura con gran detalle para comprender la naturaleza de la energía oscura y las posibles modificaciones de la teoría de la gravedad de Einstein”, dice Yun Wang, investigador científico senior y experto en energía oscura en el Centro de Procesamiento Infrarrojo. y Centro de Análisis del Instituto de Tecnología de California, que no participó en DES. De hecho, los primeros resultados de varios estudios con visión de futuro ya han encontrado un posible indicio de que la energía oscura es de alguna manera más compleja que la simple constante que los cosmólogos han asumido durante mucho tiempo. Es “un problema llamado tensión de Hubble”, dice Wang. “Las diferentes formas de medir la expansión actual del universo dan respuestas muy diferentes. La modificación de nuestras leyes de gravedad es una posible solución a esta tensión, que también puede ser el origen de la energía oscura”. Descubriendo la causa detrás de lo extraño Mediciones inconsistentes de la tasa de expansión cósmica actual.que el análisis DES no abordó, podría ofrecer pistas sobre el enigma de la energía oscura.
“Me parece muy extraño que el modelo estándar funcione tan bien y explique una gran diversidad de datos precisos con sólo unos pocos parámetros, pero que también tenga una única área de error”, afirma Bennett. Muchos intentos de ajustar el modelo estándar para que resuelva la tensión de Hubble terminan violando otras leyes físicas que están bien respaldadas por observaciones, señala. “Es difícil cambiar el modelo del universo sin afectar múltiples propiedades mensurables”.
Por ahora, “el misterio de la energía oscura persiste”, dice Wang, “y el destino final del universo está en juego”. Si la aceleración cósmica tiene una fuerza constante, el universo se expandirá para siempre; su destino está sellado. Pero si la energía oscura puede variar con el tiempo, eso abre, bueno, un universo de otras posibilidades. “Para mí, es el problema más apasionante de la física y la astronomía actuales”.