El experimento que quiere resolver uno de los mayores misterios del universo

Bob Nichol, University of Portsmouth

Como astrónomo, no hay mejor sensación que ver la luz con un nuevo instrumento o telescopio. Se trata de la culminación de años de preparación y construcción de un nuevo equipo que, por primera vez, recoge partículas de luz de un objeto astronómico. Esta situación suele ir seguida de un suspiro de alivio y, después, de la emoción por todos los nuevos avances científicos que ahora son posibles.

El 22 de octubre, DESI (siglas en inglés de Instrumento Espectroscópico para la Energía Oscura) en el telescopio Mayall de Arizona, EE.UU., consiguió su primera luz. Supone un gran salto en lo que respecta a nuestra capacidad para medir las distancias de las galaxias, ya que permite inaugurar una nueva era de mapeo de las estructuras del universo. Como su nombre indica, también puede ser clave para resolver una de las cuestiones más importantes de la física: ¿cuál es la misteriosa fuerza a la que denominamos “energía oscura” y que constituye el 70 % del universo?

El cosmos está apelotonado. Las galaxias se agrupan en conjuntos de unas pocas a decenas de galaxias. También hay cúmulos de unos pocos cientos a miles de galaxias, así como supercúmulos, formados por un gran número de cúmulos.

Se conoce esta jerarquía desde los primeros mapas del universo, los cuales parecían un monigote en los gráficos de los estudios sobre el desplazamiento al rojo del pionero Centro de Astrofísica (CfA). Estas impactantes imágenes fueron el primer atisbo de las estructuras del universo a gran escala, algunas de las cuales se encuentran a cientos de millones de años luz.

El estudio del CfA se realizó galaxia a galaxia de forma minuciosa. Esto implicaba medir su espectro de luz, es decir, la división de la luz por longitud de onda o color, e identificar indicios de ciertos elementos químicos (sobre todo hidrógeno, nitrógeno y oxígeno).

Estas huellas químicas cambian continuamente a longitudes de onda más largas y rojas debido a la expansión del universo. Este “desplazamiento al rojo” fue detectado por primera vez por el astrónomo Vesto Slipher y dio lugar a la ahora famosa Ley de Hubble, según la cual las galaxias más distantes parecen estar alejándose a mayor velocidad. Esto supone que las galaxias cercanas parecen alejarse más lentamente en comparación, dado que no están tan desplazadas al rojo como las galaxias lejanas. Por lo tanto, medir el desplazamiento al rojo de una galaxia es una forma de medir su distancia.

Cabe destacar que la relación exacta entre el desplazamiento al rojo y la distancia depende de la historia de la expansión del universo, la cual puede calcularse teóricamente gracias a la teoría de la gravedad y a nuestras suposiciones sobre la materia y la densidad de la energía del universo.

A finales de siglo se pusieron a prueba todas estas suposiciones gracias a la combinación de las nuevas observaciones del universo, como los mapas en 3D procedentes de estudios mayores sobre el desplazamiento al rojo. Resultó especialmente importante el SDSS (Sloan Digital Sky Survey), el primer telescopio dedicado al estudio del desplazamiento al rojo y que midió más de un millón de estos desplazamientos galácticos, lo que permitió mapear la estructura del universo a gran escala con un detalle nunca visto.

Los mapas del SDSS contenían cientos de supercúmulos y filamentos, y contribuyeron a realizar un descubrimiento inesperado, la energía oscura, ya que mostraban que la densidad de la materia que conforma el universo era mucho menor de lo que se esperaba del fondo cósmico de microondas (la luz remanente del Big Bang). Eso indicaba que debía de haber una sustancia desconocida, a la que llamaron energía oscura, que impulsaba la expansión acelerada del universo y que cada vez estaba más desprovista de materia.

El puzle

La combinación de todas estas observaciones inició una nueva etapa de comprensión cosmológica según la cual el universo estaba compuesto por un 30 % de materia y un 70 % de energía oscura. Sin embargo, pese a que la mayoría de los físicos han aceptado que la energía oscura existe, desconocemos su forma exacta.

No obstante, existen varias posibilidades. Muchos investigadores creen que la energía del vacío simplemente presenta un valor particular, denominado “constante cosmológica”. Entre las demás opciones, se encuentra la posibilidad de que la enormemente exitosa teoría de la gravedad de Einstein esté incompleta cuando se aplica a la enorme escala de todo el universo.

Nuevos instrumentos como DESI ayudarán a dar el siguiente paso en la resolución del misterio. Medirá decenas de millones de desplazamientos al rojo de las galaxias, abarcando un enorme volumen del universo, hasta diez mil millones de años luz de la Tierra. Un mapa tan asombroso y detallado debería ser capaz de dar respuesta a algunas de las preguntas clave que nos hacemos sobre la energía oscura y la creación de estructuras a gran escala.

Por ejemplo, debería ser capaz de decirnos si la energía oscura es tan solo una constante cosmológica. Para hacerlo, medirá la relación entre la presión que la energía oscura ejerce sobre el universo y la energía por unidad de volumen. Si la energía oscura es una constante cosmológica, esta relación debería ser constante tanto en el tiempo como en la ubicación cósmica. Para otras explicaciones, sin embargo, esta proporción variaría. Cualquier indicio que señale que no se trata de una constante sería revolucionario y desencadenaría un intenso trabajo teórico.

DESI también debería ser capaz de limitar, e incluso desmentir, muchas teorías de la gravedad modificada, brindando posiblemente una confirmación enfática de la teoría de la relatividad general de Einstein a gran escala. O todo lo contrario, lo que igualmente provocaría una revolución en la física teórica.

Otra teoría importante que se probará con DESI es la de la inflación. Esta predice que las diminutas y aleatorias fluctuaciones cuánticas de la densidad de la energía en el universo primordial se expandieron exponencialmente durante un corto período de crecimiento intenso, las cuales se convirtieron en las bases de las estructuras a gran escala que vemos hoy en día.

No obstante, DESI tan solo es una de las misiones y experimentos sobre la energía oscura que se realizarán durante la próxima década, por lo que indudablemente existen motivos para ser optimistas, ya que pronto podremos resolver el misterio de la energía oscura. Nuevas misiones espaciales, como la del satélite Euclides, y enormes observatorios terrestres, como el LSST (siglas en inglés de Gran Telescopio de Levantamiento Sinóptico), también ofrecerán otras perspectivas.

Habrá otros instrumentos como DESI que estudien los desplazamientos al rojo, como 4MOST en el Observatorio Europeo Austral. En conjunto, proporcionarán cientos de millones de desplazamiento al rojo a lo largo y ancho del cielo, gracias a lo cual obtendremos un mapa inimaginable de nuestro cosmos.

Parece que ha pasado una eternidad desde que escribí mi tesis doctoral basándome en solo 700 desplazamientos al rojo, lo que demuestra que, efectivamente, vivimos en una época excepcional para ser astrónomos.

Bob Nichol, Professor of Astrophysics and Pro Vice-Chancellor (Research and Innovation), University of Portsmouth

The Conversation