Avui en dia disposem d’un model estàndard de la cosmologia, la versió actual de la teoria del Big Bang. Tot i que s’ha mostrat molt exitós, les seves conseqüències són sorprenents. Només coneixem el 5% del contingut de l’univers, que és matèria normal. El 95% restant és constituït per dos ens exòtics i que mai s’han produït en un laboratori, la naturalesa física dels quals encara és desconeguda. Es tracta de la matèria fosca, que dona compte del 25% del contingut del cosmos, i de l’energia fosca, que contribueix amb un 70%. En el model estàndard de cosmologia, l’energia fosca és l’energia de l’espai buit, i la seva densitat roman constant al llarg de l’evolució de l’univers.

D’acord amb aquesta teoria, en l’univers més primerenc es van propagar ones de so. En aquestes etapes primerenques, l’univers tenia una temperatura i una densitat enormes. La pressió en aquest gas inicial intentava separar les partícules que el formaven, mentre la gravetat tractava d’unir-les, i la competició entre les dues forces va crear ones sonores que es van propagar des dels inicis de l’univers fins a uns 400.000 anys després del Big Bang. En aquest moment la radiació i la matèria van deixar d’interaccionar i les ones van quedar “congelades”, deixant una empremta en la distribució espacial de la matèria. Aquesta empremta s’observa com una petita acumulació preferencial de galàxies separades per una distància característica, denominada pels cosmòlegs, escala de les oscil·lacions acústiques dels barions (BAO per les seves inicials en anglès, Baryon Acoustic Oscillations), i correspon amb la distància recorreguda per les ones sonores en aquests 400.000 anys.

Una nova mesura de la distància còsmica

El Dark Energy Survey (DES, o Cartografiat de l’Energia Fosca) acaba de mesurar l’escala BAO quan l’univers tenia la meitat de la seva edat actual amb una precisió del 2%, la determinació més precisa fins el moment en una època tant primerenca, i a la vegada una mesura que, només amb imatges, és competitiva amb grans campanyes d’espectroscòpia dissenyades específicament per detectar aquest senyal.

La distància que viatja l’ona sonora en l’univers primitiu depèn de processos físics molt ben coneguts, per tant, es pot determinar amb gran precisió, fixant una vara de mesurar per l’univers. És el que els cosmòlegs anomenen un regle estàndard, i que en aquest cas té una longitud d’uns 500 milions d’anys llum. Observant l’angle que aquest regle estàndard abarca al cel a diferents distàncies (o cosa que és el mateix, en diferents èpoques de l’univers), es pot determinar la història de l’expansió còsmica i, amb ella, les propietats físiques de l’energia fosca. En particular, es pot determinar analitzant el fons de microones, la radiació alliberada quan es van formar els àtoms, 400.000 anys després del Big Bang i que ens dona una foto de l’univers molt primerenc, tal com va publicar la col·laboració Planck el 2018. També es pot determinar en l’univers més tardà mitjançant l’estudi de l’escala BAO en cartografiats de galàxies, tal com ha fet DES. L’anàlisi de la consistència d’ambdues determinacions és una de les proves més exigents a les que es pot sotmetre al model estàndard de la cosmologia.

«És un orgull veure com després de quasi vint anys d’esforç continuat, DES produeix resultats científics de màxima rellevància en cosmologia», comenta Eusebio Sánchez, responsable del grup de cosmologia del CIEMAT. «És una excel·lent recompensa a l’esforç que hem invertit en el projecte».

«El que observem és que les galàxies tenen una major tendència a estar separades entre si per un angle de 2,90 graus en el cel davant d’altres distàncies», comenta Santiago Ávila, investigador postdoctoral de l’IFAE, un dels coordinadors de l’anàlisi. «Aquest és el senyal! L’ona es pot veure clarament a les dades», afegeix referint-se al primer gràfic. «És una preferència subtil, però estadísticament rellevant», diu, «i podem determinar el recorregut de l’ona amb una precisió del 2%. Com a referència, la lluna plena ocupa en el cel mig grau de diàmetre. Així que, si fóssim capaços de veure les galàxies a simple vista, la distància BAO es veuria com 6 llunes plenes».

16 milions de galàxies per mesurar l’univers de fa 7.000 milions d’anys

Per la mesura de l’escala BAO, DES ha utilitzat 16 milions de galàxies distribuïdes sobre un vuitè del cel, i que han estat especialment seleccionades per determinar a quina distància estan amb suficient precisió.

«És important seleccionar una mostra de galàxies que ens permeti mesurar l’escala BAO amb la precisió més grossa possible», assenyala Juan Mena, qui va realitzar el doctorat al CIEMAT sobre aquest estudi, i avui dia és investigador postdoctoral en el Laboratori de Física Subatòmica i Cosmologia de Grenoble (França). «La nostra mostra està optimitzada amb la finalitat de tenir un bon compromís entre un major nombre de galàxies i la certesa amb què podem determinar la seva distància».

Les distàncies cosmològiques són tan grans que la llum triga milers de milions d’anys en arribar a nosaltres, donant així l’oportunitat d’observar el passat còsmic. La mostra de les galàxies utilitzada en aquest estudi, ens obre una finestra a l’univers de fa set mil milions d’anys, una mica menys de la meitat de la seva edat actual.

«Una de les tasques més complicades del procés, és netejar la mostra de galàxies de contaminants observacionals: distingir entre galàxies i estrelles o mitigar els efectes de l’atmosfera en les imatges», diu Martín Rodríguez Monroy, investigador postdoctoral a l’IFT de Madrid.

Pistes sobre la misteriosa energia fosca

Un descobriment interessant d’aquest estudi és que la mida que aquestes ones ocupen al cel és un 4% més gran que el que s’havia predit a partir de les mesures fetes pel satèl·lit Planck de l’ESA en l’univers primerenc, utilitzant la radiació de fons de microones. Donades les incerteses de l’anàlisi i la mostra de galàxies, aquesta discrepància té un 5% de possibilitats de ser una simple fluctuació estadística. Si no ho fos, podríem estar davant d’una de les primeres pistes que la teoria actual de la cosmologia no és del tot completa i la naturalesa física de les components fosques és encara més exòtica del que es pensava. «Per exemple, l’energia fosca podria no ser l’energia del buit, la seva densitat podria canviar amb l’expansió de l’univers, o inclús l’espai podria estar lleugerament corbat», comenta Anna Porredon, investigadora a la universitat de Bochum (RUB), a Alemanya. Aquesta investigadora, becada pel programa Marie Skłodowska-Curie Actions de la Unió Europea, ha estat una de les coordinadores d’aquesta anàlisi.

L’escala BAO ha estat mesurada per altres projectes cosmològics previs a DES en diferents edats de l’univers, fonamentalment el Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) i la seva extensió (eBOSS), que van ser dissenyats per a aquest propòsit (vegeu segona imatge). Tot i això, la mesura de DES és la més precisa a una edat tan primerenca de l’Univers, amb la meitat d’incertesa que eBOSS en aquesta època. L’important augment de precisió ha permès revelar la possible discrepància en l’escala BAO respecte al model estàndard de la cosmologia.

«Per seguir la pista, el següent pas crucial és combinar aquesta informació amb altres tècniques explorades per DES per entendre la naturalesa de l’energia fosca» comenta Hugo Camacho, investigador postdoctoral del Laboratori Nacional de Brookhaven (EUA), anteriorment a l’Institut de Física Teòrica de la Universitat Estatal Paulista del Brasil (IFT-UNESP) i membre del Laboratori Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA), i afegeix «a més a més, DES també aplana el camí a una nova era de descobriments en cosmologia, que serà seguida per futurs experiments amb mesures encara més precises».

El Dark Energy Survey

Com el seu nom indica, DES és un gran projecte cosmològic especialment concebut per estudiar les propietats de l’energia fosca. És una col·laboració internacional de més de 400 científics de 7 països, amb la seva seu central al Fermilab (laboratori nacional del departament d’energia dels Estats Units), a Chicago. El projecte està dissenyat per utilitzar quatre mètodes complementaris entre si: distàncies cosmològiques amb supernoves, nombre de cúmuls de galàxies, la distribució espacial de les galàxies i l’efecte de lent gravitacional dèbil (més detalls a https://www.darkenergysurvey.org/the-des-project/science/) .

A més a més, aquests mètodes poden combinar-se entre si per obtenir major potència estadística i millor control de les observacions, que s’espera que siguin consistents. És especialment rellevant la combinació de l’efecte lent gravitacional amb la distribució espacial de les galàxies. Aquestes anàlisis posen a prova el model cosmològic d’una manera molt exigent. Els resultats utilitzant la meitat de les dades de DES ja s’han publicat amb un gran impacte i s’espera que les mesures finals, utilitzant el conjunt complet de dades, més de 150 milions de galàxies, es publiquin aquest mateix any. «DES ens permet entendre per primera vegada si l’expansió accelerada de l’Univers, que va començar fa sis mil milions d’anys, és consistent amb el nostre model actual per l’origen del mateix», comenta Martin Crocce, qui co-coordina aquesta darrera anàlisi de l’ICE.

Per aconseguir utilitzar totes aquestes tècniques, DES va construir la Càmera de l’Energia Fosca (DECam, per Dark Energy Camera), de 500 Megapíxels, una de les majors i més sensibles del món. Està instal·lada al telescopi Víctor M. Blanco, amb un mirall de 4 m de diàmetre, a l’Observatori Interamericà de Cerro Tololo, a Xile, operat per la fundació nacional de ciència dels Estats Units (NSF). DES ha cartografiat una vuitena part de la volta celeste fins a una profunditat sense precedents. Va prendre imatges de 4 colors entre 2013 i 2019 i actualment es troba en la fase final de l’anàlisi científica d’aquestes imatges. Les institucions espanyoles formen part del projecte des del seu inici el 2005 i, a més a més d’haver col·laborat de manera destacada en el disseny, fabricació, proves i instal·lació de DECam i en la presa de dades, tenen importants responsabilitats en la gestió científica avui dia.

Més informació a www.darkenergysurvey.org/collaboration .