La col·laboració DES (Dark Energy Survey) presenta resultats que combinen, per primera vegada, mesures de lents gravitacionals febles i d’agrupament de galàxies utilitzant el conjunt complet de sis anys de dades. A l’article, que resumeix 18 treballs científics de suport, també es presenten els primers resultats obtinguts en combinar les quatre mesures diferents de l’energia fosca —oscil·lacions acústiques bariòniques (BAO), supernoves de tipus Ia, cúmuls de galàxies i lents gravitacionals febles—, tal com es va proposar en la concepció inicial del DES fa 25 anys.

“DES mostra realment com podem utilitzar múltiples sondes complementàries a partir de les mateixes observacions. Crec que és una eina molt potent, que permet obtenir resultats més precisos i robustos.”, va afirmar Martin Crocce, professor investigador associat de l’Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) a Barcelona i co-coordinador de l’anàlisi. “És l’única vegada que s’ha fet en la generació actual d’experiments d’energia fosca”.

L’anàlisi ofereix noves mesures, més precises, que redueixen el ventall de models possibles sobre l’evolució de l’univers. Aquestes mesures són més del doble de restrictives que les obtingudes en anàlisis anteriors del DES i continuen sent compatibles amb els resultats previs.

“Hi ha quelcom molt emocionant en reunir diferents sondes cosmològiques”, va assenyalar Chihway Chang, professor associat de la Universitat de Chicago i co-coordinadora del comitè científic del DES. “És força singular del DES disposar de l’expertesa necessària per fer-ho”.

Cómo medir la energía oscura

Fa aproximadament un segle, els astrònoms van observar que les galàxies llunyanes semblaven allunyar-se de nosaltres. De fet, com més llunyana és una galàxia, més ràpid s’allunya. Això va proporcionar la primera evidència clau que l’univers s’està expandint. Tanmateix, com que l’univers està dominat per la gravetat —una força que atrau la matèria—, els astrònoms esperaven que l’expansió es ralentís amb el temps.

El 1998, dos equips independents de cosmòlegs van utilitzar supernoves llunyanes per descobrir que l’expansió de l’univers s’està accelerant en lloc de frenar-se. Per explicar aquestes observacions, van proposar un nou tipus d’energia responsable d’impulsar aquesta expansió accelerada: l’energia fosca. Actualment, els astrofísics creuen que l’energia fosca constitueix aproximadament el 70 % de la densitat de massa-energia de l’univers. Tot i així, encara en sabem molt poc.

En els anys següents, els científics van començar a dissenyar experiments per estudiar l’energia fosca, entre els quals el Dark Energy Survey. Avui dia, el DES és una col·laboració internacional de més de 400 astrofísics i científics de 35 institucions de set països, liderada pel Laboratori Nacional Fermi d’Acceleradors del Departament d’Energia dels Estats Units.

Per estudiar l’energia fosca, la col·laboració DES va dur a terme un cartografiat profund i de gran àrea del cel entre 2013 i 2019. La col·laboració DES va construir una càmera digital extremadament sensible de 570 megapíxels, DECam, i la va instal·lar al telescopi Blanco de 4 metres de l’Observatori Interamericà Cerro Tololo de la Fundació Nacional de la Ciència, als Andes xilens. Durant 758 nits al llarg de sis anys, la col·laboració DES va registrar informació de 669 milions de galàxies situades a milers de milions d’anys llum de la Terra, cobrint una vuitena part del cel. Les institucions espanyoles formen part del projecte des del seu inici, l’any 2005, i, a més d’haver col·laborat de manera destacada en el disseny, la fabricació, les proves i la instal·lació de DECam i en la presa de dades, actualment tenen responsabilitats importants en l’explotació científica de les dades.

“A partir de les nostres imatges, podem mesurar les formes de les galàxies i les distorsions subtils causades per la gravetat, així com les seves posicions i la manera com s’agrupen al cel. Tanmateix, per interpretar aquestes mesures també necessitem saber a quina distància es troben les galàxies. A la pràctica, inferim aquestes distàncies a partir dels seus colors, mesurats mitjançant observacions amb diferents filtres”, explica William d’Assignies Doumerg, estudiant de doctorat a l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) i membre de l’equip de calibratge de distàncies del Dark Energy Survey.

“En aquesta anàlisi hem portat el calibratge de distàncies a un nivell de precisió sense precedents, que ens permet connectar amb confiança la distribució observada de les galàxies amb la física subjacent de l’energia fosca”, afirma Giulia Giannini, colíder del Grup de Treball de Redshifts del DES i investigadora de l’ICE-CSIC a Barcelona.

Per obtenir aquests nous resultats, els científics del DES van ampliar mètodes que ells mateixos havien desenvolupat utilitzant lents gravitacionals febles per reconstruir de manera robusta la distribució de la matèria a l’univers. Ho han fet analitzant tant la probabilitat que dues galàxies es trobin a una determinada distància entre si com la probabilitat que presentin distorsions similars causades per les lents gravitacionals febles. En reconstruir la distribució de la matèria al llarg de 6.000 milions d’anys d’història còsmica, aquestes mesures permeten determinar quanta matèria fosca i energia fosca hi ha en cada moment.

“La mesura final de lents gravitacionals del DES inclou al voltant de 150 milions de galàxies, un conjunt de dades de dimensions extraordinàries. Això és molt estimulant, però també comporta una gran responsabilitat: assegurar-nos que cada etapa de l’anàlisi sigui plenament robusta. Al DES creiem haver estat a l’altura d’aquest repte. Gràcies al desenvolupament de noves metodologies i a la solidesa dels resultats científics, la col·laboració ha presentat una mesura que es consolidarà com una fita durant molts anys i de la qual podem sentir-nos legítimament orgullosos”, afirma Simon Samuroff, investigador postdoctoral a l’IFAE, que ha coliderat l’anàlisi cosmològica de les distorsions de les galàxies.

En aquest anàlisi, el DES va comparar les seves dades amb dos models cosmològics: el model estàndard ΛCDM, amb densitat d’energia fosca constant, i un model ampliat, wCDM, en què aquesta densitat evoluciona amb el temps.

El DES va observar que les seves dades concorden majoritàriament amb el model estàndard de la cosmologia. Les dades també s’ajusten al model d’energia fosca en evolució, però no millor que al model estàndard.

Tanmateix, un element comú a ambdós models presenta una discrepància notable. En anàlisis anteriors, el paràmetre que descriu com s’agrupa la matèria a l’univers mostrava un valor diferent del predit per ambdós models a partir de l’agrupament observat a l’univers primerenc. En aquest nou anàlisi, en incorporar les dades més recents, aquesta diferència s’ha ampliat. La discrepància persisteix fins i tot quan el DES combina les seves dades amb les d’altres experiments.

“El Dark Energy Survey és una història d’èxit de la cosmologia espanyola. Hi ha tota una generació que ha crescut científicament dins del DES, i estem preparats per liderar la següent generació d’experiments cosmològics”, comenta Santiago Ávila, co-líder del grup de treball d’Estructura a Gran Escala del DES, que va realitzar el doctorat a l’IFT, una etapa postdoctoral a l’IFAE i que actualment és científic titular al CIEMAT.

Allanando el camino

A continuació, el DES combinarà aquest treball amb les mesures més recents procedents d’altres experiments d’energia fosca per investigar models alternatius de gravetat i energia fosca. Aquest anàlisi també és important perquè aplana el camí perquè el nou Observatori Vera C. Rubin, finançat per la Fundació Nacional de la Ciència dels Estats Units i l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia dels Estats Units, dugui a terme estudis similars amb el seu Legacy Survey of Space and Time (LSST).

“Les mesures seran cada vegada més precises en només uns quants anys”, va afirmar Anna Porredon, colíder del grup de treball d’Estructura a Gran Escala del DES i científica sènior del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) a Madrid. “Hem fet un pas significatiu en precisió, però totes aquestes mesures milloraran molt més amb noves observacions de l’Observatori Rubin i d’altres telescopis. És emocionant pensar que probablement tindrem algunes respostes sobre l’energia fosca en els propers 10 anys”.

El Dark Energy Survey (DES) és una col·laboració internacional de més de 400 científics de 25 institucions de set països, liderada pel Laboratori Nacional Fermi d’Acceleradors (Fermilab), el principal laboratori nacional dels Estats Units dedicat a la física de partícules i a la recerca en acceleradors. El Fermi Forward Discovery Group gestiona Fermilab per a l’Oficina de Ciència del Departament d’Energia dels Estats Units. Per a més informació sobre el projecte, es pot consultar 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, l’any 2005, el projecte DES, i hi participa a través de tres institucions: dues a Barcelona —l’Institut de Ciències de l’Espi (ICE-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 Teórica (IFT/CSIC-UAM).