Una ventana para iluminar la energía oscura

“Por el momento, en general, los datos coinciden con el mejor modelo del universo hasta ahora, pero también hay algunas diferencias interesantes que sugieren que la energía oscura puede ser variable, evoluciona”. Así presentó, el pasado mes de abril, los primeros resultados de este experimento el director de cooperación DESI, Michael Levi.

Aunque esta interpretación ha levantado polémicas entre los cosmólogos, nadie duda del valor de los resultados obtenidos por el DESI. Se trata del mayor experimento realizado para la investigación del cosmos. Y han presentado una cartografía del universo sin precedentes: un mapa tridimensional de seis millones de galaxias y 450.000 quasares que muestra cómo ha sido la distribución de la materia en once mil millones de años. Todo ello para intentar comprender qué es la energía oscura, para lo cual diseñaron el Instrumento de Espectroscopia de la Energía Oscura (Dark Energy Spectroscopic A3) DESI.

“En el mejor ejemplo del universo que tenemos, del 95% del universo no sabemos nada”, dice Violeta González Pérez. González es físico teórico de la Universidad Autónoma de Madrid y uno de los 900 científicos que colaboran en el DESI. “Es decir, teniendo en cuenta toda la materia y la energía del universo, el 95% corresponde a una parte oscura que no entendemos. Por eso es importante la cosmología. Como seres humanos, tenemos la necesidad de comprender de qué está hecho el universo”.

Violeta González Pérez. Físico teórico de la Universidad Autónoma de Madrid, en colaboración con DESI.

De hecho, la materia común, lo que podemos ver, lo que conocemos, no es más que el 5% del total de la materia y energía del universo. El resto es materia oscura (27%) y energía oscura (68%). La materia oscura retiene las estrellas y las galaxias unidas, mientras que la energía oscura hace que la expansión del universo sea cada vez más rápida.

No podemos ver toda esta parte oscura del universo, al menos no directamente. “La forma en que se mueven las galaxias, el gas, etc. nos dice que ahí hay materia y energía oscura”, explica González. “Eso, o si no, no entendemos bien la gravedad”.

Como influye en el movimiento y en la evolución de lo que vemos, se puede utilizar la luz para intentar comprender lo oscuro. Y eso es lo que está haciendo DESI: recogiendo la luz procedente de las galaxias y los quasares, determinando su posición en el cielo y a qué distancia están, está elaborando mapas tridimensionales. Y a través de estos mapas se podrá analizar cómo ha sido la expansión del universo a lo largo del tiempo.

De hecho, los mapas cósmicos también son máquinas del tiempo. Nos muestran el pasado. Los objetos más cercanos son los que están más cerca en el tiempo, ya que la luz ha tardado menos tiempo en llegar a donde estamos. Vemos la Luna como era 1,3 segundos antes; el Sol como era 8 minutos antes; las estrellas más brillantes como eran hace décadas o siglos; y las galaxias, como hace millones de años. El DESI llega a ver el universo de hace 11.000 millones de años. Hay algo, porque se calcula que el universo tiene unos 13.800 millones de años.

5.000 pequeños robots

“Antes de DESI, los mapas de SDSS (Sloan Digital Sky Survey) eran los mejores”, dice González. “Para cada observación se necesitaba una gran placa de aluminio con aproximadamente mil agujeros. Y todas las noches, para cada observación, en esos mil agujeros alguien tenía que poner las fibras a mano”. Cada una de estas fibras conduce a un espectrógrafo la luz que proviene de una galaxia u objeto. Porque para saber la distancia se mide la velocidad a la que se aleja de nosotros. Y esto se realiza mediante una espectrometría muy concreta, midiendo el corrimiento al rojo de las líneas de emisión del objeto.

En el plano focal del DESI hay 5.000 posicionadores robóticos, cada uno de ellos con una fibra óptica para captar y analizar la luz de las galaxias. Ed. Colaboración DESI.

DESI cuenta con 5.000 pequeños robots para el posicionamiento automático de fibras. En cada observación puede observar hasta 5.000 objetos, y una vez bien definidas sus distancias, puede pasar a la siguiente observación. “Varía en función del objeto que observamos, pero en el caso de galaxias con líneas de emisión, por ejemplo, tiene unos diez minutos para medir con precisión la distancia”, explica González. SDSS ha cartografiado dos millones de objetos en 20 años, mientras que DESI ha hecho seis millones en el primer año. “Es un salto tremendo en cuanto a datos”, ha subrayado González.

El objetivo del proyecto es cartografiar 37 millones de galaxias y 3 millones de quasares en cinco años. “Acabamos de cumplir el tercer año de observaciones y aproximadamente el 60% del objetivo está cartografiado, dice González. “Vamos algo más rápido de lo previsto”.

Los resultados de abril corresponden a las observaciones del primer año. “Los datos se ajustan bastante bien al modelo más aceptado actualmente”, afirma González, al igual que el director de DESI. “Pero hemos visto que si en lugar de mantener constante la densidad de energía oscura, permitimos que cambien a lo largo del tiempo, los datos se ajustan un poco mejor. El resultado es muy interesante, pero hay que tomarlo con mucha prudencia, ya que esta mejora no es tan grande”.

“Creo que deberíamos esperar a ver los datos de tres años”, ha añadido González. “Y si seguimos viendo lo mismo con los datos de tres años, entonces sí que tendremos que pensar en otros modelos de energías oscuras; en modelos de quintaesencia o más exóticos”.

De momento, el modelo de referencia del universo es Lambda-CDM, donde Lambda es energía oscura y CDM (Cold Dark Matter) materia oscura. La materia (oscura o convencional), por la fuerza de la gravedad, ejerce una fuerza contraria a la expansión del universo. Y como consecuencia de ello, la expansión emprendida en el Big Bang se iría ralentizando, poco a poco. Esto se creía que hasta que en 1998 dos grupos astronómicos descubrieron que la expansión del universo no se estaba ralentizando sino acelerando. Llegaron a la conclusión de que la energía oscura es la que está provocando la aceleración de la expansión del universo. Entonces, la energía oscura sustituyó a la lambda constante cosmológica de las ecuaciones de Einstein.

En muchas interpretaciones se considera energía asociada al espacio puro. A medida que el universo se expande, se crea más espacio, lo que a su vez genera más energía oscura. Así, la densidad de energía oscura se mantendría constante.

Constante o variable

“Si admitimos que las propiedades de la energía oscura son constantes, el modelo es bastante tierno”, dice González. “Pero si decimos que evoluciona, entonces se abren muchas posibilidades. Y hay muchos modelos que explican cómo la energía oscura puede cambiar con el tiempo. Por ejemplo, una de las que más me ha llamado la atención últimamente es que la energía oscura puede estar dentro de los agujeros negros, y como la evolución de los agujeros negros depende de la evolución de las galaxias y, por tanto, de la evolución del universo, podría explicar que la energía oscura también tuviera una evolución en el tiempo”.

Mapa de galaxias observadas por el DESI durante el primer año. En el centro está la Tierra. En la parte ampliada se puede ver cómo la materia común se distribuye en el universo: las galaxias se apilan formando estructuras roscadas, con huecos de muchos objetos más pequeños. Ed. Colaboración Claire Lamman/DESI/cmastro.

“Otra opción es que no entendemos bien la gravedad”, dice González. Es decir, que las ecuaciones de Einstein no son correctas. “Hay modelos que cambian la gravedad. Pero el problema es que tenemos un sistema solar muy bien estudiado y medido, y un modelo que haga cualquier cambio de gravedad debería superar ese grado de precisión que tenemos para el sistema solar. Y eso es muy difícil”.

“Incluso antes del DESI, con otros datos y observaciones, varios investigadores hemos publicado modelos que predicen que la energía oscura es evolutiva”, explica Ruth Lazkoz Saez, profesora e investigadora del departamento de Física Teórica e Historia de la Ciencia de la UPV/EHU. Su equipo presentó en 2013, por ejemplo, un nuevo modelo que aunaba energía y materia oscura; y en ese modelo también propusieron que la energía oscura era dinámica. Y así lo han propuesto en un trabajo que han hecho recientemente. “No es tan raro que la energía oscura sea evolutiva —dice Lazkoz—; hay muchos trabajos que demuestran que eso puede ser así”.

Ruth Lazkoz Saez. Profesor e investigador del departamento de Física Teórica e Historia de la Ciencia de la UPV.

Lazkoz considera que la parte más importante de los resultados del DESI es la de los datos: “Física de datos y astrofísica de datos”. En cuanto a la parte cosmológica, tiene más dudas. “El grupo de DESI ha hecho una interpretación, pero la indefinición es bastante grande, y ahí está la clave. Dentro de esa indefinición derivada de los datos, ¿cómo se deduce que la energía oscura es variable o es una consecuencia de esa indefinición?, eso no está nada claro”.

“Se necesitan más pruebas y pruebas complementarias para saber si esto es cierto o no”, ha añadido Lazkoz. “Un resultado así o un efecto revolucionario hay que demostrarlo bien y hay que reforzarlo en varios aspectos, con resultados diferentes. Al fin y al cabo, la física y la ciencia es eso: poder repetir los resultados y las consecuencias”.

“El problema es que físicamente es muy difícil presentar un modelo mejor que Lambda-CDM”, dice Lazkoz. “Siendo honestos, yo creo que la mayoría de los demás modelos solo tienen base matemática; les falta base física”.

El futuro, desconocido

“Lo que pasa es que no sabemos qué es la energía oscura”, explica González. “Y no sabemos qué es, no sabemos si es constante”.

Y sea constante o no, el futuro del universo puede ser muy diferente.

Si es constante, el universo seguiría expandiéndose y poco a poco todo se separaría y se disolvería: galaxias, estrellas, planetas, y finalmente, también átomos. A esto se le llama Big Rip o Gran Abrasión.

Por el contrario, si la energía oscura se diluyera, al igual que se puede interpretar a partir de los datos del DESI, la expansión se detendría, y por la gravedad todo terminaría en una implosión o Big Crunch. Esta era la teoría principal antes de que apareciera la energía oscura.

Vendrán más resultados de DESIR y otros experimentos como Euclid, Vera Rubin, Nancy Roman y 4MOST. Entre todos ellos, podremos saber cómo se están alejando cientos de millones de objetos. Quizá entonces sepamos mejor qué es esa misteriosa energía oscura.

DESI (telescopio Mayall), observando el universo. Ed. KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/T.Slovinský.

¿Qué sabemos hoy por hoy de la energía oscura? “¿De verdad lo que sabemos? Pues que es el componente principal del universo y que genera aceleración”, ha respondido Lazkoz. “Eso está bastante demostrado. Eso no se discute”. Y lo mismo ha respondido González: “A esta presión contra la gravedad que acelera la expansión del universo la llamamos energía oscura. Si no existiera esta presión, la expansión del universo se vería ralentizada hasta detenerse. Con seguridad, solo sabemos eso”.

Es decir, que todavía sabemos muy poco de eso que constituye las dos terceras partes del universo. Y que sigue siendo uno de los mayores misterios de la ciencia. “Sí, junto con la materia oscura —dice Lazkoz—, son los dos misterios más grandes de la cosmología”.