La força de la gravetat ha donat forma al nostre univers. El seu caràcter atractiu ha transformat les minúscules diferències en la quantitat de matèria de l’univers primitiu en els extensos filaments de galàxies que observem avui dia. Un nou estudi que utilitza les dades de l’Instrument Espectroscòpic de l’Energia Fosca (DESI, per les sigles en anglès de Dark Energy Spectroscopic Instrument) ha cartografiat el creixement d’aquestes estructures durant els darrers 11.000 milions d’anys, i ha produït el test de la força de la gravetat més precís de la història a grans escales.

DESI és una col·laboració internacional de més de 900 científics de més de 70 institucions d’arreu el món, gestionada pel Laboratori Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departament d’Energia dels Estats Units. En aquest nou estudi, els científics de DESI han trobat que la gravetat es comporta tal com prediu la teoria de la relativitat general d’Einstein. Aquests resultats confirmen el model actual de l’univers i acoten possibles teories de gravetat modificada, que s’havien proposat com a explicacions alternatives d’observacions inesperades, com l’expansió accelerada de l’univers, que habitualment s’atribueix a l’energia fosca.

Límits a la teoria de gravitació d’Einstein

«Aquestes dades ens permeten estudiar amb quina rapidesa s’han format les estructures més grans del cosmos i així posar límits a la teoria de gravitació d’Einstein en escales cosmològiques molt superiors a les escales del sistema solar», comenta l’investigador Héctor Gil-Marín, de la Facultat de Física i de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), que ha col·liderat aquesta nova anàlisi. «Per ara, els resultats encaixen perfectament amb les prediccions de la teoria de la relativitat general d’Einstein», detalla Gil-Marín, que és membre també de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC).

Aquest estudi proporciona també un nou límit superior a la massa dels neutrins, les úniques partícules elementals les masses de les quals no han estat encara mesurades. Experiments anteriors van trobar que la suma de les masses dels tres tipus de neutrins hauria de ser almenys 0,059 eV/c2 (com a comparació, l’electró té una massa de 511.000 eV/c2). Els resultats de DESI indiquen que aquesta suma ha de ser menys de 0,071 eV/c2, deixant una finestra molt estreta per als possibles valors de les masses dels neutrins.

Conèixer millor la gravetat i l’energia fosca al cosmos

La col·laboració DESI ha presentat els nous resultats en diversos articles científics disponibles en el repositori arXiv. La complexa anàlisi de les dades ha utilitzat prop de 6 milions de galàxies i quàsars situats a distàncies que varien entre 1.000 i 11.000 milions d’anys llum de la Terra. Amb només un any de dades, DESI ha aconseguit realitzar les mesures globals més precises del creixement d’estructures, superant així tots els resultats previs, l’obtenció dels quals va costar dècades d’esforç continuat.

Els resultats presentats avui són una anàlisi estesa de les dades del primer any del DESI, que a l’abril va presentar el mapa 3D més gran de l’univers realitzat fins avui i va trobar alguns indicis que l’energia fosca podria estar canviant amb el temps . Els resultats publicats a l’abril se centraven en una propietat particular de la distribució espacial de les galàxies, coneguda com les oscil·lacions acústiques dels barions (BAO, per Baryon Acoustic Oscillations). Aquesta nova anàlisi incorpora tota la informació continguda en la forma de l’espectre de potències i amplia l’abast de l’anterior per extreure’n més informació de les dades, mesurant la distribució de les galàxies i la matèria a diferents escales espacials. L’estudi ha requerit mesos de feina i comprovacions addicionals. Com en el cas anterior, aquests resultats han utilitzat una tècnica d’anàlisi cega que amaga els resultats fins al final, mitigant així qualsevol biaix i confirmació.

Els resultats obtinguts amb el primer any de dades de DESI són realment enlluernadors», diu Eusebio Sánchez, investigador del CIEMAT que ha col·laborat en l’anàlisi de les dades. «I això només és el principi, perquè el projecte continua obtenint més dades, que permetran millorar molt el coneixement actual de la gravetat i de l’energia fosca».

DESI és un instrument capdavanter capaç de capturar la llum de 5.000 galàxies simultàniament i determinar els seus espectres. Es va construir i operar amb finançament provinent de l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia (DOE) dels Estats Units. Està situat al cim de l’Observatori Nacional de Kitt Peak -un programa de NOIRLab, de la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units (NSF)- al telescopi Nicholas U. Mayall, el mirall del qual té un diàmetre de 4 metres. L’experiment es troba actualment al quart dels cinc anys previstos de presa de dades, i l’objectiu és haver cartografiat uns 40 milions de galàxies i quàsars quan el projecte finalitzi.

La col·laboració ja està analitzant les dades dels primers 3 anys i es preveu que els nous resultats d’aquesta anàlisi es presentin a la primavera del 2025, tot actualitzant així les mesures existents sobre l’energia fosca i la història de l’expansió de l’univers. Els resultats presentats avui són consistents amb les anteriors troballes d’una lleugera preferència per una energia fosca que evoluciona amb el temps. Això fa que augmenti l’interès per conèixer els resultats de les anàlisis que s’estan fent actualment.

«La distribució de les galàxies suggereix la presència de matèria i energia fosques, les quals segueixen sent en gran mesura un misteri per a nosaltres», diu Hui Kong, investigadora postdoctoral a l’IFAE que va treballar en la preparació dels catàlegs de galàxies. «No obstant això, els mesuraments precisos proporcionats per DESI ofereixen informació prometedora sobre aquestes qüestions fonamentals al voltant de l’univers.»

La colaboración Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI està finançat per les institucions següents: l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia dels Estats Units i el Centre de Computació científica en energia (National Energy Research Scientific Computing Center); la Fundació Nacional de Ciència (NSF, Estats Units); la Divisió de Ciències Astronòmiques (AST)D sota contracte amb l’Observatori Nacional d’Astronomia Òptica de la NSF; el Science and Technologies Facilities Council (Regne Unit); la Fundació Gordon and Betty Moore (Estats Units); la Fundació Heising-Simons (Estats Units); la French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA, França); el Consell Nacional de Ciència i Tecnologia de Mèxic; el Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats d’Espanya i les institucions membres de DESI. La col·laboració DESI agraeix que li permetin dur a terme recerques astronòmiques en el Du’ag (Kitt Peak, Arizona), una muntanya amb significat especial per a la reserva india de la Nació Tohono O’odham. Participen en DESI el Centre d’Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT), l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), l’Institut de Física Teòrica (UFT-UAM/CSIC), l’Institut d’Astrofísica d’Andalusia (IAA) i l’Institut d’Astrofísica de Canàries (IAC).

La llista completa d’institucions participants i més informació sobre DESI es pot trobar a: https://www.desi.lbl.gov .