La expansión del Universo podría no ser como pensábamos

Según el actual modelo estándar de la cosmología, conocido como Lambda-CDM (ΛCDM), donde Lambda es la energía oscura y CDM corresponde a Cold Dark Matter (Materia oscura fría), la densidad de Lambda debería permanecer invariable a lo largo de toda la historia del Universo, es decir, que también el ritmo al que su expansión acelera debería haber sido siempre el mismo. Es lo que se conoce como 'Constante Cosmológica'.

Pero un nuevo análisis llevado a cabo en el marco del proyecto DES (Dark Energy Survey o Cartografiado de la Energía Oscura) parece indicar que eso no es así. Es decir, que la energía oscura (y por tanto el ritmo de expansión universal) cambia con el tiempo. El proyecto, en el que colaboran más de 400 investigadores de siete países, cuenta con una importante participación de de científicos españoles de cuatro instituciones: el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) en Madrid; el Institut de Ciències de l'Espai (ICE) en Barcelona; el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) en Barcelona y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

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Como su propio nombre indica, DES es un proyecto especialmente concebido para estudiar la energía oscura. Algo que consigue combinando cuatro métodos distintos, pero complementarios: Supernovas de tipo 'Ia', explosiones de estrellas cuyos parámetros, siempre iguales, permiten usarlas como 'velas estándar' para medir distancias cósmicas; cúmulos de galaxias, cuyo número y distribución nos revelan cómo la gravedad ha ido modelando el Universo; Oscilaciones Acústicas de Bariones (BAO), ondas de presión que se propagaron a través del plasma primordial del Universo temprano y cuya huella característica en la distribución de galaxias sirve como una 'regla estándar' para medir distancias cosmológicas; y el fenómeno de lente gravitacional débil, la distorsión de la luz causada por la gravedad y que revela, sin necesidad de verla, cómo se distribuye la materia oscura.

Los dos primeros métodos miden la historia de expansión del Universo, mientras que los otros dos tratan de explicar cómo se han ido formando las grandes estructuras que nos rodean (galaxias, cúmulos y supercúmulos galácticos, muros y filamentos de galaxias etc). Además, los distintos métodos pueden combinarse entre sí para conseguir una mayor potencia estadística y un mejor control de las observaciones.

Para poder aplicar estas técnicas, DES utiliza la Cámara de Energía Oscura (DECam), de 500 megapíxeles y una de las cámaras digitales más potentes del mundo, instalada en el telescopio Víctor M. Blanco en Chile. Con ella, y durante seis años, entre 2013 y 2019, los científicos obtuvieron imágenes de una octava parte de la bóveda celeste con una calidad y profundidad que no tiene precedentes. En total, DECam obtuvo imágenes de millones de galaxias y de cúmulos galácticos en el firmamento. Y ahora, el análisis científico de todas esas fotografías, en buena parte llevado a cabo por las instituciones españolas del proyecto, acaba de terminar.

DES, de hecho, acaba de hacer pública su medida final de la historia de expansión del Universo. Y su análisis, que ya puede consultarse en el servidor de prepublicaciones arXiv, ha revelado la existencia de una intrigante discrepancia con el modelo Lambda-CDM.

En concreto, la medición de la escala de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO), ha resultado ser un 4% menor de lo que predice el modelo ΛCDM. La escala BAO representa la distancia a la que han viajado las ondas sonoras desde el comienzo del Universo. Y es lo que los cosmólogos llaman una 'regla estándar' porque se puede tomar como patrón de medida, en este caso con una longitud de unos 500 millones de años luz. Este enorme tamaño permite medir distancias cosmológicas estudiando cómo su tamaño aparente cambia según observamos galaxias cada vez más distantes. DES analizó 16 millones de galaxias para medir la escala de la regla estándar BAO.

«Si calculamos la distancia entre todos los pares de galaxias -explica Santiago Ávila, investigador del CIEMAT y responsable del análisis BAO en DES- al llegar a la escala BAO vemos que de repente hay más pares. Esta acumulación ocurre justo en la escala BAO y por lo tanto es posible medirla. Y resulta que la medida de la escala BAO en los datos es un 4% más pequeña que lo que predice la teoría ΛCDM».

Por su parte, las supernovas de tipo 'Ia' son gigantescas explosiones estelares que tienen una propiedad que las hace especiales: su brillo es igual en todas ellas. De esta manera se convierten en excelentes indicadoras de distancias cósmicas, ya que al tener el mismo brillo intrínseco, si se ven muy débiles desde la Tierra es que están lejos, mientras que si se ven brillantes es que están cerca. DES ha recogido el mayor conjunto de supernovas tipo 'Ia' hasta la fecha y ha realizado su análisis científico, obteniendo una medida de distancias independiente y complementaria a la obtenida con la escala BAO.

Combinando ambas formas de medir la distancia con la radiación de fondo de microondas y otros parámetros del Universo temprano, DES obtiene las propiedades que debería tener la energía oscura para explicar las observaciones. Pero el resultado no fue el esperado. Los datos, de hecho, apuntan a la idea de que la energía oscura cambia con el tiempo. «Este resultado -señala Juan Mena, uno de los responsables del análisis combinado- es intrigante, porque sugiere que podríamos estar viendo indicaciones de una nueva física más allá del Modelo Estándar de la Cosmología. Si estos indicios se confirman con nuevos datos, podríamos estar ante una revolución en nuestra comprensión del Universo».

Los resultados, sin embargo, no son aún lo suficientemente significativos, de modo que, por el momento, no se puede anunciar oficialmente un descubrimiento. No obstante, este mismo año terminará el análisis científico de los datos de DES, y también los otros dos métodos de estudio de la energía oscura publicarán sus datos. Al centrarse esos dos métodos en el crecimiento de estructuras en el Universo, proporcionarán mejores medidas de la energía oscura y permitirán reforzar, o descartar, el escenario emergente de una energía oscura que no es constante, sino que varía con el tiempo. Además, resultados similares están apareciendo, también, en otros grandes proyectos cosmológicos, como DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), lo que hace que la comunidad científica se encuentre en estado de alerta.

«Aunque no podemos concluir todavía que la energía oscura cambie con el tiempo -comenta por su parte Anna Porredon, una de las coordinadoras de este análisis e investigadora en el CIEMAT- empieza a resultar evidente que el modelo estándar ΛCDM no parece suficiente para explicar estos datos de DES. Si otros análisis encuentran resultados similares, necesitaremos cambiar el paradigma cosmológico».

De hecho, si resulta ser cierto que la energía oscura varía con el tiempo, entonces no podría ser la Constante Cosmológica, sino que debería tratarse de un nuevo tipo de materia, o de un nuevo fenómeno físico. O de un campo cuántico diferente a todos los conocidos, uno que llena el espacio por completo y que no aparece en la teoría cuántica de la materia. O quizá se trate de una indicación de que es necesario extender la teoría de la relatividad general de Einstein. Un descubrimiento, en definitiva, que pondría 'patas arriba' la física fundamental y que, muy probablemente, nos llevaría a una nueva y más profunda comprensión del Universo.

«De confirmarse -concluye Juan García-Bellido, investigador del IFT-UAM/CSIC, que ha colaborado en esta medida- se trataría de uno de los resultados más importantes de las últimas décadas en cosmología, ya que abriría las puertas a nuevas ideas más allá del modelo estándar ΛCDM».