El destí final de l’univers depèn del balanç entre la matèria i l’energia fosca, l’ingredient fonamental que en demostra l’expansió accelerada. Nous resultats de l’Instrument Espectroscòpic d’Energia Fosca (DESI, sigla de l’anglès Dark Energy Spectroscopic Instrument) utilitzen el mapa en 3D més gran de l’univers que mai s’ha construït per caracteritzar la influència de l’energia fosca en l’expansió de l’univers durant els darrers 11.000 milions d’anys. En aquest estudi s’observen indicis que l’energia fosca, que es pensava que era una constant cosmològica, podria evolucionar amb el temps de maneres inesperades.

DESI és un experiment internacional en què participen més de nou-centes persones de més de setanta institucions de tot el món i que lidera el Laboratori Lawrence Berkeley, als Estats Units. L’equip que hi col·labora ha fet públiques les troballes en múltiples articles enviats al repositori digital ArXiv i en una ponència en la Cimera Global de la Societat de Física Americana (APS), que va tenir lloc a Anaheim (Califòrnia).

“Els resultats que hem obtingut són molt interessants”, diu Andreu Font-Ribera, científic de l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) i membre de l’equip de DESI que ha desenvolupat l’estudi. “Sembla que estem a punt de presenciar un canvi de paradigma als models d’evolució de l’Univers, i això és molt emocionant”.

Per si soles, les dades de DESI són coherents amb el model estàndard de l’univers, ΛCDM (en què CDM, sigla en anglès de cold dark matter, és la matèria fosca freda, mentre que Λ representa l’explicació més senzilla de l’energia fosca, en què es comporta com una constant cosmològica). No obstant això, quan es combinen amb altres mesures, hi ha indicacions creixents que l’impacte de l’energia fosca es pot estar debilitant amb el temps. Això suggereix que altres models, diferents de l’acceptat comunament, podrien proporcionar una explicació millor de l’evolució còsmica. Aquestes altres mesures inclouen la llum romanent de l’alba de l’univers (la radiació còsmica de fons de microones o CMB), explosions estel·lars (supernoves) i les distorsions en la propagació de la llum causades per la gravetat (efecte de lent gravitacional dèbil).

«A parer meu, encara és d’hora per afirmar amb rotunditat que hem descobert que l’energia fosca sigui canviant», explica Eusebio Sánchez, investigador científic en el CIEMAT, que ha participat en l’anàlisi de les dades. «Tanmateix, el fet que diferents projectes independents observin resultats similars fa que la situació sigui especialment interessant».

Fins ara, la preferència per una energia fosca canviant no ha assolit «les 5 sigmes», la convenció estadística usada en física que fixa el llindar necessari per considerar si una mesura es considera un descobriment. L’anàlisi de diferents combinacions de les dades de DESI amb la CMB i diversos conjunts de supernoves es troba en un rang que va entre les 2,8 i les 4,2 sigmes (un esdeveniment de 3 sigmes té una probabilitat del 0,3 % de ser una fluctuació estadística, però molts esdeveniments de 3 sigmes en física han desaparegut en recollir més dades). L’anàlisi ha utilitzat una tècnica amb cegament doble, que oculta els resultats fins al final, de manera que mitiga qualsevol biaix inconscient sobre les dades.

«Aquestes dades podrien indicar que l’univers és més complex del que pensàvem fins ara», apunta Sergi Novell Masot, estudiant de doctorat de l’ICCUB i membre de l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), que recentment també ha publicat un estudi complementari usant els mapes de DESI. «Tanmateix, abans de treure conclusions definitives, cal entendre bé les dades de supernoves i CMB, que, quan es combinen amb els resultats de DESI, sembla que apunten en aquesta direcció».

DESI representa el cartografiat en 3D més extens del cosmos que mai s’ha fet. Té un instrument capdavanter que captura llum de cinc mil galàxies simultàniament. Els grups espanyols de DESI van tenir un paper cabdal a construir-lo i participen en l’operació d’aquest instrument. DESI està muntat al telescopi Nicholas U. Mayall, de quatre metres, situat a l’Observatori Nacional de Kitt Peak, a Arizona (Estats Units). L’experiment es troba en el quart any de presa de dades, d’un total previst de cinc. Està planejat que hagi mesurat uns cinquanta milions de galàxies i quàsars (objectes molt brillants i extremament llunyans que allotgen forats negres en el nucli) en acabar el projecte.

La nova anàlisi utilitza les dades dels tres primers anys d’observació: prop de quinze milions de galàxies i els quàsars més ben mesurats. Significa un avenç importantíssim, i la precisió de l’experiment ha millorat respecte a la primera anàlisi de DESI —que també va observar pistes d’energia fosca canviant—, perquè el conjunt de dades ha augmentat en un factor més gran que 2.

«Si es confirmés, seria un dels resultats més importants de les últimes dècades en cosmologia, perquè obre les portes a noves idees més enllà del model estàndard ΛCDM», comenta Juan García-Bellido, investigador de l’IFT (UAM i CSIC), que ha col·laborat en aquests mesuraments. «Si els resultats adquireixen més significança amb mesuraments futurs, podríem explorar idees com noves teories de la gravetat o la quinta essència, que prediuen una acceleració variable de l’expansió de l’univers».

DESI rastreja la influència de l’energia fosca estudiant la distribució de la matèria de l’univers. Els esdeveniments de l’univers primerenc van deixar patrons molt subtils en la distribució de la matèria, coneguts com a oscil·lacions acústiques dels barions (BAO). Aquestes oscil·lacions s’utilitzen per calibrar distàncies o regla estàndard, i la mida aparent en diferents moments depèn directament de l’expansió de l’univers. Del fet de mesurar la regla estàndard a diferents distàncies, se n’obté la força de l’energia fosca al llarg de la història còsmica. Les mesures de distància que proporciona DESI en aquest nou estudi són les més precises que s’han obtingut fins avui.

«Som en un moment molt emocionant, ja que durant molt temps hem cregut que l’univers es comportava d’una certa manera, però ara, amb dades cada cop més precises, ens adonem que hi ha aspectes que encara no comprenem del tot», assenyala Laura Casas, estudiant de doctorat a a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) a Bellaterra, ​​que ha liderat la validació de l’anàlisi dels anomenants boscos Lyman-alpha, l’empremta que deixen els núvols d’hidrogen intergalàctics en la llum dels quàsars llunyans. «Encara que queda molt per investigar, l’evidència que l’energia fosca podria anar canviant és una troballa fascinant».

L’equip de col·laboració en DESI començarà molt aviat a treballar en anàlisis addicionals per extreure encara més informació del conjunt de dades actual i, a més, DESI continuarà acumulant noves dades. Altres experiments que començaran els anys vinents proporcionaran conjunts de dades complementaris per a anàlisis futures.

«Els resultats observacionals que obtenim sobre com evoluciona l’univers obren un ventall molt ampli de possibles teories que poden explicar el que observem», comenta Francisco Javier Castander, investigador de l’ICE (CSIC) i de l’IEEC, que ha contribuït a l’experiment. «Independentment de quina sigui la naturalesa de l’energia fosca, les seves propietats determinaran el futur de l’univers. És molt gratificant comprovar com l’instrument que hem construït ens permet observar el cel i estudiar l’univers en detall, per poder respondre, així, a una de les preguntes més transcendents que s’ha plantejat la humanitat».

Hi ha vídeos que presenten la nova anàlisi disponibles al canal de YouTube de DESI. A més de fer públics els últims resultats en la Cimera de la Societat de Física Americana (APS), la col·laboració de DESI també ha anunciat que el primer llançament públic de dades (DR1) es troba disponible per ser explorat. Aquest conjunt de dades conté milions d’objectes celestes i s’hi pot fer un rang molt ampli de recerques astrofísiques, que se sumen a les metes cosmològiques de DESI.

La col·laboració Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI està finançat per les següents institucions: l’Office of Science i el National Energy Research Scientific Computing Center, tots dos de l’Office of Science del Department of Energy dels EUA; National Science Foundation dels Estats Units, Division of Astronomical Sciences, sota contracte amb el National Optical Astronomy Observatory; Science and Technologies Facilities Council del Regne Unit; Fundació Gordon and Betty Moore; Fundació Heising-Simons; Commissariat à l’Énergie atomique et aux énergies Alternatives (CEA) a França; Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Mèxic; Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats d’Espanya i les institucions membres de DESI.

L’equip de col·laboració en DESI agraeix que li permetin dur a terme recerques astronòmiques a Du’ag, a Kitt Peak (Arizona), una muntanya amb un significat especial per a la reserva índia de la nació Tohono O’odham.

En l’àmbit estatal hi participen el CIEMAT, l’ICE (CSIC), l’ICCUB, l’IFAE, l’IFT (UAM i CSIC), l’Institut d’Astrofísica d’Andalusia (IAA) i l’Institut d’Astrofísica de les Canàries (IAC). Es pot consultar la llista completa de les institucions que hi participen i més informació relacionada a la pàgina web de DESI.

Persones de contacte CIEMAT: Eusebio Sánchez, investigador científic, eusebio.sanchez@ciemat.es ICCUB (IEEC): Héctor Gil, investigador Ramón y Cajal, hectorgil@icc.ub.edu ICE (CSIC, IEEC): Francisco Castander, professor d’investigació, fjc@ice.csic.es IFAE: Andreu Font-Ribera, investigador Ramón y Cajal, afont@ifae.es IFT (UAM, CSIC): Juan García-Bellido, catedràtic, juan.garciabellido@uam.es

Aquesta informació l’han distribuït el CIEMAT, l’ICCUB, l’ICE (CSIC), l’IEEC, l’IFAE i l’IFT (UAM i CSIC), en representació de l’equip de col·laboració DESI.

Aquest projecte ha rebut finançament del Consell Europeu de Recerca (ERC) en el marc del programa de recerca i innovació Horitzó Europa de la Unió Europea (COSMO-LYA Acord de subvenció núm. 101044612)