Els primers resultats de DESI proporcionen la mesura més precisa de l’expansió de l’univers

• L’Instrument Espectroscòpic de l’Energia Fosca (DESI, pel seu acrònim en anglès) ha cartografiat galàxies i quàsars per construir el mapa en 3 dimensions més gran de l’univers i n’ha mesurat la velocitat d’expansió al llarg d’11.000 milions d’anys
• És la primera vegada que es mesura la història de l’expansió de l’univers en un període tan primerenc (fa 8-11 mil milions d’anys) amb una precisió millor que l’1%. Això proporciona una oportunitat sense precedents d’estudiar l’energia fosca
• Només amb el primer any de funcionament DESI ha sobrepassat el conjunt de tots els mapes espectroscòpics en 3D previs i ha confirmat les bases de l’actual model de l’univers. L’anàlisi de les dades d’aquest primer any ha obtingut alguns resultats molt interessants que cal explorar amb més dades
• Investigadors de CIEMAT, ICCUB, ICE-CSIC, IFAE i IFT, amb membres de l’IEEC entre ells, han tingut una participació molt destacada en l’obtenció d’aquests importants resultats

Amb 5.000 robots petits instal·lats en un telescopi, des del cim d’una muntanya a Arizona (EUA), és possible observar 11.000 milions d’anys cap al passat. La llum d’objectes extremament llunyans està arribant ara a l’Instrument Espectroscòpic de l’Energia Fosca (DESI, per Dark Energy Spectroscopic Instrument, en anglès), un projecte liderat pel Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), que ens permet cartografiar l’univers quan era jove i seguir el seu creixement fins al que observem avui dia. Entendre com l’univers ha evolucionat està directament relacionat amb com acabarà, i amb un dels misteris més grans de la física: l’energia fosca, el misteriós component que fa que l’univers s’expandeixi cada cop més de pressa.

Per estudiar els efectes de l’energia fosca en els darrers 11.000 milions d’anys, DESI ha creat el mapa en 3D del cosmos més gran mai construït, amb les mesures més precises fins ara. És la primera vegada que els científics mesuren la història de l’expansió de l’univers jove amb una precisió millor que l’1%, cosa que proporciona la millor descripció existent de la seva evolució. Les anàlisis del primer any de dades s’han fet públiques en un seguit d’articles científics que apareixeran aquesta nit al repositori arXiv i en diverses ponències a la reunió de l’American Physical Society als EUA i als Rencontres de Moriond a Itàlia. Aquests són els primers resultats de quarta generació sobre l’energia fosca.

«De moment, sembla que els primers resultats de DESI estan d’acord amb les prediccions del model actual», diu Hui Kong, investigadora postdoctoral a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE). «Hi ha alguns indicis que apunten a petites variacions temporals en la densitat d’energia fosca, però necessitarem més dades per confirmar-ho».

El model teòric de referència per a l’univers es coneix com a Lambda CDM. Inclou tant un tipus de matèria que interacciona molt poc (la matèria fosca freda o CDM per les sigles en anglès, Cold Dark Matter) com energia fosca (Lambda). Matèria i energia fosques condicionen l’expansió de l’univers, però de maneres oposades. Tant la matèria normal com la fosca alenteixen l’expansió, mentre que l’energia fosca l’accelera. Per tant, la quantitat que n’hi ha de cadascuna determina l’evolució de l’univers. Aquest model teòric ofereix una bona explicació per als resultats obtinguts per experiments anteriors i de l’evolució temporal de l’univers.

Tot i això, quan les dades del primer any de DESI es combinen amb altres estudis, hi ha algunes subtils diferències respecte a les prediccions de Lambda CDM. A mesurea que DESI vagi acumulant més informació durant els propers anys, aquests primers resultats es faran més precisos, i aclariran si les dades apunten que cal canviar el model teòric o si hi ha altres explicacions per a les mesures obtingudes. Més dades implicaran també una millora d’altres resultats inicials de DESI, que fan referència a la constant de Hubble (una mesura de la velocitat a què s’expandeix l’univers avui dia) i a la massa de les partícules elementals anomenades neutrins.

«DESI, fins i tot només amb les dades del seu primer any de funcionament, ja és el cartografiat espectroscòpic que ha pres més dades de la història i continua augmentant aquesta quantitat a raó d’un milió de galàxies cada mes», diu Eusebio Sánchez, investigador del CIEMAT. «Aquest extraordinari conjunt de dades fa que puguem mesurar la història de l’expansió de l’univers amb una precisió sense precedents. Estem segurs que DESI augmentarà el nostre coneixement de l’univers i potser ens permetrà fer descobriments revolucionaris».

La precisió general de DESI en la mesura de la velocitat d’expansió al llarg d’11.000 milions d’anys és d’un 0,5% i en l’època més distant, que cobreix entre 8.000 i 11.000 milions d’anys, és d’un 0,82%. Aquesta mesura de l’univers jove és molt difícil de fer. I tan sols en un any, DESI s’ha mostrat dues vegades més poderós en la mesura de la velocitat d’expansió que el seu predecessor (BOSS/eBOSS de l’Sloan Digital Sky Survey), que va prendre dades durant més d’una dècada.

Viatjant cap enrere en el temps

DESI és una col·laboració internacional de més de 900 científics de 70 institucions de tot el món. L’instrument amb què observa es va construir i opera amb finançament de l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia nord-americà (DOE, Department of Energy), i està instal·lat al telescopi Nicholas U. Mayall, de 4 m, situat al Kitt Peak National Observatory, un programa de NOIRLab, de la National Science Foundation (NSF).

Mirant el mapa de DESI, és fàcil apreciar l’estructura subjacent de l’univers: galàxies acumulades en filaments, separats per buits amb menys objectes. L’univers primerenc era, però, molt diferent: una sopa densa i calenta de partícules subatòmiques movent-se tan ràpid que encara no es podia formar matèria estable com els àtoms que avui coneixem. Entre aquestes partícules hi havia nuclis d’hidrogen i d’heli, col·lectivament anomenats barions.

Fluctuacions diminutes en aquest plasma inicial van provocar ones de pressió, fent que els barions es moguessin amb un patró d’oscil·lacions que és similar al que es veuria en llançar un grapat de sorra en un estany. Quan l’univers es va anar expandint i refredant, es van formar els àtoms, i les ones de pressió es van aturar, el que va congelar aquestes ondulacions en tres dimensions en forma de bombolles, i va posar la llavor de les futures galàxies a les zones més denses. Milers de milions d’anys després, encara podem observar un senyal molt feble d’aquestes bombolles com una separació característica entre galàxies, una propietat anomenada oscil·lacions acústiques dels barions (BAO, per Baryon Acoustic Oscillations en anglès).

Els investigadors utilitzen les mesures de l’escala BAO com un regle còsmic. Mesurant la mida aparent de les bombolles, són capaços de determinar la distància a la matèria responsable d’aquest debilíssim patró en el cel. Cartografiant les bombolles BAO, les més properes i les més llunyanes, els investigadors poden dividir les dades en capes, mesurant la velocitat d’expansió a cada moment del passat i modelant l’efecte de l’energia fosca en l’expansió.

«DESI ja és més precís que tots els cartografiats de BAO anteriors en tot el rang de la història còsmica», diu Violeta González Pérez, investigadora del Departament de Física Teòrica de la Universitat Autònoma de Madrid. «Les seves dades ens permeten estudiar misteris còsmics que estan més enllà de la nostra comprensió actual de l’univers».

Utilitzar les galàxies per mesurar la velocitat d’expansió és una de les tècniques per entendre millor l’energia fosca, però té un abast limitat. A partir de certa distància, la llum de les galàxies habituals es fa massa feble, i els científics comencen a estudiar quàsars, nuclis galàctics extremament brillants que allotgen forats negres als seus centres. La llum dels quàsars s’absorbeix quan passa a través dels núvols de gas intergalàctics, cosa que permet als científics cartografiar les acumulacions denses de matèria i utilitzar-les de la mateixa manera que s’utilitzen les galàxies, una tècnica coneguda com ‘el bosc Lyman-alfa’.

«Bàsicament, utilitzem els quàsars com a fonts de llum llunyanes per veure l’ombra de la matèria que hi ha entre ells i nosaltres», diu Andreu Font-Ribera, investigador a l’IFAE a Barcelona, que lidera l’anàlisi del bosc Lyman-alfa. «Això ens permet d’observar distàncies inabastables amb altres mètodes, quan l’univers era molt jove. És una mesura extremament difícil, i és molt reconfortant veure que ha tingut èxit».

Els científics han utilitzat 450.000 quàsars, el conjunt més gran mai recopilat per mesurar el bosc Lyman-alfa, estenent les mesures de l’escala BAO fins als 11.000 milions d’anys en el passat. L’objectiu de DESI és haver cartografiat 3 milions de quàsars i 37 milions de galàxies quan el projecte finalitzi.

Ciència d’avantguarda

DESI és el primer experiment espectroscòpic que ha realitzat una «anàlisi cega» completa, que amaga el resultat veritable als científics per evitar qualsevol biaix de confirmació subjectiu. Els investigadors treballen amb dades emmascarades i desenvolupen tot el procés d’anàlisi sense conèixer la informació veritable. Un cop tot s’ha acabat, s’aplica l’anàlisi a les dades originals per obtenir la resposta final.

«El fet que l’anàlisi s’hagi desenvolupat amb la tècnica d’emmascarar les dades ens aporta un grau extra de confiança en els resultats obtinguts», comenta Héctor Gil Marín, investigador de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC). Les anàlisis cegues ja són una pràctica estàndard en camps com la física experimental de partícules o els estudis clínics. Gil Marín i altres investigadors de l’ICCUB han desenvolupat i implementat el que va resultar ser una forma molt robusta i difícil de desxifrar, per ocultar els resultats de l’agrupació de galàxies a DESI fins que es completés l’anàlisi. «Estem segurs que l’esforç extra que això va implicar millorarà la confiança i la integritat en els resultats de DESI», comenta Gil Marín.

Les dades de DESI s’usaran a més com a complement de futurs cartografiats del cel com l’Observatori Vera C. Rubin i el telescopi espacial Nancy Roman, i per preparar una millora potencial de DESI (DESI-II) que ha estat recomanada en un informe recent del Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) dels EUA.

«És emocionant veure com els resultats de DESI ens donen una visió precisa de com és l’univers” comenta Francisco Javier Castander, investigador de l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC) i de l’IEEC. «A més, això només és el principi, amb les noves dades que estem obtenint les nostres mesures seran encara més precises».

Nota de premsa preparada en col·laboració amb l’Institut de Ciències del Cosmos i l’Institut de Ciències de l’Espai.

Aquesta recerca es presenta al repositori arXiv i en diverses ponències a la reunió de l’American Physical Society als EUA i als Rencontres de Moriond a Itàlia.

• IEEC
• ICCUB
• ICE-CSIC
• IFAE
• CIEMAT
• Universidad Autónoma de Madrid
• DESI

Contactes