Els nous resultats del Dark Energy Survey utilitzen la mostra de galàxies més gran mai analitzada en cosmologia, i cobreixen una enorme regió del cel per produir les mesures de la composició i del creixement de l’univers més precises de la història. Els científics han determinat que la manera en què la matèria es distribueix a l’espai és consistent amb les prediccions del model cosmològic estàndard.

Al llarg de sis anys, DES va observar 5.000 graus quadrats -gairebé un vuitè de l’esfera celeste- en 758 nits, catalogant centenars de milions d’objectes. Els resultats que avui es fan públics s’han obtingut de les dades preses durant els tres primers anys del projecte -226 000 000 galàxies observades en 345 nits, de les quals 100 milions es fan servir en els estudis de cosmologia- per crear els més grans i més precisos mapes mai construïts de la distribució de matèria en l’univers recent.

Com que DES estudia tant galàxies properes com aquelles que estan a milers de milions d’anys llum de nosaltres, els seus mapes proporcionen una imatge panoràmica a gran escala de l’univers i, alhora, una pel·lícula de com ha evolucionat aquesta estructura al llarg dels últims 7.000 milions d’anys.

Per posar a prova el model actual de l’univers, els científics de DES han comparat els seus resultats amb les mesures realitzades per l’observatori espacial Planck, de l’Agència Espacial Europea (ESA). Planck va utilitzar els senyals lluminosos coneguts com la radiació de fons de microones per observar l’univers jove, tan sols uns 380.000 anys després del Big Bang. Les dades de Planck ofereixen una visió molt precisa de com era l’univers fa 13.000 milions d’anys, i el model cosmològic estàndard prediu com hauria d’haver evolucionat la distribució de la matèria fosca (i la matèria ordinària) fins a l’actualitat. Si les observacions de DES no s’ajusten a aquesta predicció, és molt possible que hi hagi aspectes de l’univers que no s’hagin entès encara. Tot i que els resultats publicats són consistents amb la predicció, segueix havent-hi indicis, tant en DES com en altres experiments previs, que la matèria en l’univers actual es distribueix, en un petit percentatge, de manera més uniforme del predit, una troballa intrigant que mereix més investigació.

La matèria ordinària constitueix tan sols un 5% de l’univers. L’energia fosca, que segons els cosmòlegs produeix l’expansió accelerada de l’univers, contrarestant la força de la gravetat, en comprèn un 70%. El 25% restant és matèria fosca, la influència gravitatòria de la qual manté les galàxies unides. Tant la matèria fosca com l’energia fosca romanen invisibles i misterioses, però DES tracta de revelar-ne la naturalesa estudiant com la competició entre les dues dóna forma a l’estructura a gran escala de l’univers al llarg de la història còsmica.

“DES ha aconseguit mesurar les propietats de l’energia fosca a un nivell de precisió que rivalitza amb l’obtingut mitjançant l’estudi de la radiació de fons de microones i, a més, el complementa”, diu Ignacio Sevilla, científic titular de l’CIEMAT. “És emocionant haver aconseguit una de les mesures més precises mai obtingudes de les propietats fonamentals de l’univers”.

DES ha fotografiat el cel nocturn utilitzant la Dark Energy Camera (DECam), de 570 megapíxels, instal·lada al telescopi Víctor Manuel Blanco de 4 m de diàmetre, situat a l’Observatori Interamericà de Cerro Tololo, a Xile. DECam, una de les càmeres digitals més potents de món, es va dissenyar específicament per a DES i va ser assemblada i verificada a Fermilab (Estats Units). En el procés de disseny, construcció, verificació i instal·lació de DECam hi va haver una important contribució espanyola.

“El desafiament va ser d’una complexitat sense precedents, va involucrar a un equip multidisciplinari de centenars de persones, una inversió en milions d’hores en superordinadors i va necessitar del desenvolupament de tècniques que marcaran el futur de camp en gairebé tots els aspectes de l’anàlisi”, comenta Martín Crocce, investigador de l’ICE que co-lidera el grup d’estructura a gran escala de la col·laboració internacional DES. “Entrem en una nova era de la nostra comprensió global de l’univers, amb observacions directes que van des de l’univers jove, amb 380.000 anys, fins a l’univers recent 13 mil milions d’anys més tard”.

Per quantificar la distribució de la matèria fosca i l’efecte de l’energia fosca, DES es basa principalment en dos fenòmens físics. En primer lloc, que a escales molt grans les galàxies no es distribueixen per l’espai de manera uniforme, sinó que més aviat formen una estructura en forma de teranyina a conseqüència de l’atracció gravitatòria de la matèria fosca. DES ha mesurat com aquesta teranyina còsmica ha evolucionat al llarg de la història de l’univers. L’agrupament de galàxies que formen la teranyina còsmica, al seu torn, revela les regions que contenen una densitat més alta de matèria fosca. En segon lloc, DES detecta l’empremta de la matèria fosca mitjançant l’efecte de lent gravitacional feble. Quan una galàxia llunyana emet llum, la trajectòria dels fotons que la componen es pertorba per l’efecte gravitacional que exerceix la distribució de masses que es troben al llarg del seu camí. Com a conseqüència, quan observem aquesta galàxia, la seva forma és lleugeríssimament diferent de l’original, i el patró d’aquestes distorsions depèn de la quantitat i de la distribució de matèria al llarg de la trajectòria de la llum. “Analitzant les subtils distorsions dels nostres 100 milions de galàxies, DES ha estat capaç de traçar la distribució de matèria que les produeix”, explica Marc Gatti, investigador predoctoral a l’IFAE (ara a la Universitat de Pennsylvania) i que ha co-liderat el grup que elabora els mapes de matèria. “Aquests són els mapes de matèria més grans mai creats, cobreixen un vuitè del cel i mostren, sobretot, la matèria fosca, que no emet llum i no es pot detectar mitjançant els mètodes tradicionals”. Aquesta anàlisi ha estat en part possible gràcies a noves tècniques de modelització de mapes de gran camp i grans simulacions realitzades per grups espanyols i distribuïdes en una nova plataforma de Big Data (CosmoHub), albergada al Port d’Informació Científica (PIC), un centre de dades de CIEMAT i IFAE.

Analitzar l’enorme quantitat de dades recollida per DES ha estat una tasca formidable. L’equip va començar analitzant el primer any de dades, i els resultats es van fer públics el 2017. Aquest procés va preparar als investigadors per utilitzar tècniques més sofisticades en conjunts de dades grans, el que inclou la mostra de galàxies més gran mai utilitzada per estudiar l’efecte de lent gravitacional feble.

Per exemple, calcular el desplaçament al roig d’una galàxia - el canvi en la longitud d’ona de la seva llum a causa de l’expansió de l’univers - és un pas important per mesurar el canvi, tant en la distribució espacial de les galàxies com en l’efecte de lent gravitacional feble, al llarg de la història còsmica. “Un punt clau ha estat el desenvolupament de noves metodologies per a mesurar el desplaçament cap al roig dels 100 milions de galàxies, directament relacionat amb les seves distàncies, cosa que permet produir un mapa en 3D de l’univers”, apunta Giulia Giannini, investigadora predoctoral en l’IFAE i una de les responsables d’aquestes mesures. “S’han combinat diversos mètodes independents aplicant avançades tècniques estadístiques, més sofisticades i precises, per caracteritzar la relació entre colors i posicions de galàxies i els seus desplaçaments al roig amb l’exactitud més gran possible, una cosa fonamental per obtenir resultats no esbiaixats”.

Aquest i altres avenços, tant en les mesures com en la descripció teòrica de les observacions, es van unir a un augment en la quantitat de dades d’un factor 3 pel que fa al primer any, per permetre a l’equip determinar la densitat i uniformitat de l’univers amb una precisió sense precedents.

“Aquestes mesures tan precises són el resultat d’una anàlisi que es porta a terme amb molta cura en tots els seus punts, des de la presa de dades en el telescopi fins al càlcul dels resultats finals. Entre molts altres factors, hem corregit l’impacte d’elements externs, com estrelles o efectes atmosfèrics, en les nostres dades. " diu Martín Rodríguez Monroy, investigador predoctoral al CIEMAT, i un dels responsables de la mesura de la distribució espacial de galàxies properes. “És una gran satisfacció veure com tot l’esforç es tradueix en uns resultats tan precisos i robustos”.

Juntament amb l’anàlisi dels senyals de l’efecte de lent gravitacional feble, DES també mesura altres indicadors que restringeixen el model cosmològic de maneres independents: la distribució de galàxies a escales molt grans (les oscil·lacions acústiques dels barions), la quantitat de cúmuls de galàxies massius i les mesures d’alta precisió de la brillantor i desplaçament al roig de les supernoves de tipus Ia. Aquestes mesures addicionals es combinen amb l’anàlisi de l’efecte de lent gravitacional feble per proporcionar restriccions encara més exigents per al model estàndard cosmològic.

“Les dades de DES són úniques perquè ens permeten posar a prova el model cosmològic estudiant fenòmens molt diferents”, comenta Santiago Ávila, investigador postdoctoral de l’IFT i encarregat d’analitzar la relació entre les condicions inicials de l’univers i la distribució observada de galàxies. “Les escales més grans ens revelen unes ones sonores generades en l’univers primigeni (les oscil·lacions acústiques dels barions) i també com es van formar les primeres estructures a partir de fluctuacions quàntiques generades durant la inflació cosmològica” -afegeix.

DES va acabar de realitzar les seves observacions del cel nocturn al 2019. Amb l’experiència adquirida en l’anàlisi de les dades que avui es presenta, l’equip està ara preparat per enfrontar-se al conjunt complet, que augmentarà al doble el nombre de galàxies utilitzades en els resultats que avui es fan públics. S’espera que de l’anàlisi final de DES s’extregui una visió encara més precisa de la matèria fosca i l’energia fosca de l’univers. A més, els mètodes desenvolupats per l’equip científic de DES han obert el camí per a futurs cartografiats que indagaran de manera encara més profunda els misteris del cosmos.

Els resultats de DES es presenten en un seminari científic el 27 de maig de 2021 a les 17:30 hora de Barcelona, que es pot seguir-se mitjançant l’aplicació zoom en https://fnal.zoom.us/j/94822142182?pwd=UnlPSzg0NXdNdlFzK3R2VWV6aEk1dz09 . Els 30 articles científics que els exposen estaran disponibles després del seminari en el següent enllaç: https://www.darkenergysurvey.org/des-year-3-cosmology-results-papers/ i es descriuen en el següent vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=2faGqB2UDGo

El Dark Energy Survey és una col·laboració de més de 400 científics de 25 institucions en set països. Per a més informació sobre el projecte, visiteu la pàgina web de l’experiment: https://www.darkenergysurvey.org/es/

Espanya va ser el primer grup internacional a unir-se als Estats Units per fundar, el 2005, el projecte DES i participa a través de tres institucions, dues d’elles a Barcelona (l’Institut de Ciències de l’Espai (IEEC, CSIC), i l’Institut de Física d’Altes Energies, IFAE) i una a Madrid (el Centro de Investigaciones Energéticas, MedioAmbientales y Tecnológicas (CIEMAT), a més d’investigadors de l’Instituto de Física Teorica, IFT (CSIC-UAM).