Nuevos resultados de DESI sobre la fuerza de la gravedad

• Un análisis muy elaborado de los datos del primer año del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés) ha proporcionado uno de los tests más exigentes hasta la fecha de la teoría de la relatividad general y de cómo se comporta la fuerza de la gravedad a escalas cosmológicas
• La observación de las galaxias y de la evolución temporal de su distribución espacial muestra el crecimiento de la estructura cósmica y ha permitido a DESI acotar las posibles teorías de gravedad modificada, que proporcionan explicaciones alternativas de la expansión acelerada del universo
• El equipo de investigación de DESI ha observado que la distribución espacial de las galaxias es compatible con el modelo estándar de la gravedad y las predicciones de la teoría de la relatividad de Einstein
• CIEMAT, ICCUB, ICE-CSIC, IFAE e IFT, con miembros del IEEC entre ellos, han tenido una participación muy destacada en la obtención de estos importantes resultados

La fuerza de la gravedad ha dado forma a nuestro universo. Su carácter atractivo ha transformado las minúsculas diferencias espaciales en la cantidad de materia del universo primitivo en los extensos filamentos de galaxias que observamos hoy en día. Un nuevo estudio que usa los datos del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por las siglas en inglés de Dark Energy Spectroscopic Instrument) ha cartografiado el crecimiento de estas estructuras durante los últimos 11.000 millones de años, y ha producido el test de la fuerza de la gravedad a grandes escalas más preciso de la historia.

DESI es una colaboración internacional de más de 900 científicos de más de 70 instituciones de todo el mundo, gestionada por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de los EE. UU. En este nuevo estudio, los científicos de DESI han encontrado que la gravedad se comporta tal y como predice la teoría de la relatividad general de Einstein. Estos resultados confirman el modelo actual del universo y acotan posibles teorías de gravedad modificada, que se habían propuesto como explicaciones alternativas de observaciones inesperadas, tales como la expansión acelerada del universo,  que se atribuye habitualmente a la energía oscura.

Límites a la teoría de gravitación de Einstein

«Estos datos nos permiten estudiar con qué rapidez se han formado las estructuras más grandes del cosmos y así poner límites en la teoría de gravitación de Einstein en escalas cosmológicas muy superiores a las escalas del sistema solar», comenta Héctor Gil Marín del Instituto de Ciencias de Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y miembro del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), quien ha co-liderado este nuevo análisis. «Por ahora los resultados encajan perfectamente con las predicciones de la teoría de la Relatividad General de Einstein».

Este estudio proporciona también un nuevo límite superior a la masa de los neutrinos, las únicas partículas elementales cuyas masas no han sido medidas todavía. Experimentos anteriores encontraron que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos debería ser al menos 0,059 eV/c2 (como comparación, el electrón tiene una masa de 511 000 eV/c2). Los resultados de DESI indican que dicha suma debe ser menos de 0,071 eV/c2, dejando una ventana muy estrecha para los posibles valores de las masas de los neutrinos.

La colaboración DESI ha presentado los nuevos resultados en varios artículos científicos disponibles en el repositorio arXiv y se publicarán próximamente en la revista Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. El complejo análisis de los datos ha utilizado cerca de 6 millones de galaxias y cuásares situados a distancias que varían entre 1.000 y 11.000 millones de años luz de la Tierra. Con tan solo un año de datos, DESI ha conseguido realizar las medidas globales más precisas del crecimiento de estructuras, superando todos los resultados previos, cuya obtención costó décadas de esfuerzo continuado.

Conocer mejor la gravedad y la energía oscura en el cosmos

Los resultados presentados hoy son un análisis extendido de los datos del primer año de DESI, que en abril presentó el mapa 3D más grande del universo realizado hasta la fecha y encontró algunos indicios de que la energía oscura podría estar cambiando con el tiempo. Los resultados publicados en abril se centraban en una propiedad particular de la distribución espacial de las galaxias, conocida como las oscilaciones acústicas de los bariones (BAO, por Baryon Acoustic Oscillations). Este nuevo análisis incorpora toda la información contenida en la forma del espectro de potencias y amplía el alcance del anterior para extraer más información de los datos, midiendo la distribución de las galaxias y la materia en diferentes escalas espaciales. El estudio ha requerido meses de trabajo y comprobaciones adicionales. Como en el caso anterior, estos resultados han utilizado una técnica de análisis ciego que esconde los resultados hasta el final, mitigando de esta manera cualquier sesgo de confirmación.

«Los resultados obtenidos con el primer año de datos de DESI son realmente deslumbrantes», dice Eusebio Sánchez, investigador del CIEMAT que ha colaborado en el análisis de los datos. «Y esto es solo el principio, porque el proyecto continúa tomando más datos, que permitirán mejorar mucho el conocimiento actual de la gravedad y de la energía oscura».

DESI es un instrumento puntero capaz de capturar la luz de 5.000 galaxias simultáneamente y determinar sus espectros. Se construyó y se opera con financiación proveniente de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía (DOE) de los EE. UU. Está situado en la cima del Observatorio Nacional de Kitt Peak, un programa de NOIRLab, de la NSF (National Science Foundation), en el telescopio Nicholas U. Mayall, cuyo espejo tiene un diámetro de 4m. El experimento se encuentra actualmente en el cuarto de los cinco años previstos de toma de datos, y el objetivo es haber cartografiado unos 40 millones de galaxias y cuásares cuando el proyecto finalice.

La colaboración está analizando ya los datos de los primeros 3 años y se prevé que los nuevos resultados de este análisis se presenten en la primavera de 2025, actualizando las medidas existentes sobre la energía oscura y la historia de la expansión del universo. Los resultados presentados hoy son consistentes con los hallazgos anteriores de una ligera preferencia por una energía oscura que evoluciona con el tiempo. Esto hace que aumente el interés por conocer los resultados de los análisis que se están realizando actualmente.

«La distribución de las galaxias sugiere la presencia de materia y energía oscuras, las cuales siguen siendo en gran medida un misterio para nosotros», dice Hui Kong, investigadora postdoctoral en el IFAE que trabajó en la preparación de los catálogos de galaxias. «Sin embargo, las mediciones precisas proporcionadas por DESI ofrecen información prometedora sobre estas cuestiones fundamentales sobre el universo».

La colaboración Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI está financiado por las siguientes instituciones: U.S. Department of Energy’s Office of Science y el National Energy Research Scientific Computing Center; National Science Foundation de Estados Unidos; Division of Astronomical Sciences bajo contrato con el National Optical Astronomy Observatory; Science and Technologies Facilities Council del Reino Unido; Fundación Gordon and Betty Moore; Fundación Heising-Simons; French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA); Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México; Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España y las instituciones miembros de DESI. 

La colaboración DESI se siente honrada de que se le permita llevar a cabo investigaciones astronómicas en I’oligam Du’ag (Kitt Peak, Arizona), una montaña con significado especial para la nación Tohono O’odham. 

Participan en DESI el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC/IEEC), el Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), el Instituto de Física Teórica (IFT-UAM/CSIC), el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

La lista completa de instituciones participantes y más información sobre DESI está disponible en: https://www.desi.lbl.gov.

Distribuido por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y el Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) en representación de la colaboración DESI.

Más información

Esta investigación se presenta en varios artículos científicos disponibles en el repositorio arXiv.

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