El 21 de març, els 5.000 “ulls” de fibra òptica de l’Instrument Espectroscòpic de l’Energia Fosca (DESI, per Dark Energy Spectroscopic Instrument) van apuntar cap a una regió del cel propera a l’Ossa Menor. Aproximadament cada 20 minuts, es fixaven en febles punts de llum llunyans, recollint fotons que havien viatjat cap a la Terra durant milers de milions d’anys. A l’alba, l’equip internacional de DESI va celebrar una fita clau: haver completat amb èxit l’observació de tota l’àrea del cel prevista en el projecte original per completar el mapa 3D més gran de l’univers construït fins avui.

El cartografiat de cinc anys, finalitzat abans del previst i amb una quantitat de dades molt superior a l’esperada, ha donat lloc al mapa tridimensional d’alta resolució més gran de l’univers mai realitzat. Els investigadors utilitzen aquest mapa per estudiar l’energia fosca, el component fonamental que constitueix aproximadament el 70% de l’univers i que impulsa la seva expansió accelerada.

En comparar com s’agrupaven les galàxies en el passat amb la seva distribució actual, els investigadors han pogut estudiar la influència de l’energia fosca al llarg de 11.000 milions d’anys d’història còsmica. Resultats sorprenents basats en els tres primers anys de dades de DESI apuntaven que l’energia fosca, que es considerava una “constant cosmològica”, podria evolucionar amb el temps. Amb el conjunt complet de dades de cinc anys, els investigadors disposaran de molta més informació per comprovar si aquest indici desapareix o es reforça. Si es confirmés, suposaria un canvi significatiu en la nostra comprensió de l’univers i del seu possible destí, determinat per l’equilibri entre la matèria i l’energia fosca.

DESI és un experiment internacional en què participen més de 900 investigadors de més de 70 institucions d’arreu del món, liderat pel Laboratori Lawrence Berkeley dels EUA. L’instrument està muntat al telescopi Nicholas U. Mayall, de 4 m, situat a l’Observatori Nacional de Kitt Peak, a Arizona (EUA). Els grups espanyols de DESI van tenir un paper crucial en la seva construcció i participen en la seva operació. El projecte està gestionat pel Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Departament d’Energia dels EUA.

«El cartografiat de cinc anys de DESI ha estat un èxit espectacular», afirma Michael Levi, director de DESI i investigador al Berkeley Lab. «L’instrument ha rendit millor del previst. Els resultats són extremadament prometedors. L’escala del mapa i la rapidesa amb què hem pogut dur a terme el projecte són extraordinàries. Ara celebrarem la finalització del cartografiat original i començarem a processar les dades, perquè tots tenim curiositat per descobrir quines noves sorpreses ens esperen».

DESI ja ha mesurat dades cosmològiques de sis vegades més galàxies i quàsars que tots els estudis anteriors combinats. La col·laboració començarà immediatament el processament del conjunt complet de dades, amb els primers resultats sobre energia fosca basats en els cinc anys d’observacions previstos per al 2027. Mentrestant, els investigadors continuen analitzant les dades dels tres primers anys del projecte, afinant les mesures d’energia fosca i produint nous resultats sobre l’estructura i evolució de l’univers, amb diversos articles previstos per a finals d’aquest any.

Una màquina d’observació

DESI va començar a recopilar dades el maig de 2021. Des d’aleshores, l’instrument ha superat àmpliament els objectius inicials de la col·laboració. El pla era capturar llum de 34 milions de galàxies i quàsars (objectes extremadament llunyans però molt brillants, amb forats negres al seu nucli) al llarg del cartografiat de cinc anys. Tanmateix, en finalitzar aquest període, DESI ha observat més de 47 milions de galàxies i quàsars, a més de 20 milions d’estrelles.

L’èxit del projecte resulta encara més notable tenint en compte els desafiaments afrontats. DESI és una màquina complexa, amb milers de components que requereixen manteniment. El 2020, les proves finals de l’instrument es van veure interrompudes per la pandèmia de la COVID-19. El 2022, l’incendi forestal Contreras va afectar la zona de Kitt Peak, tot i que, gràcies a la tasca dels equips d’emergència i del personal de l’observatori, no va causar danys al telescopi. Les tasques de recuperació es van veure a més alentides per pluges monsòniques i esllavissades.

«DESI és un sistema complex però extraordinàriament robust, i ha estat molt gratificant veure’l integrar-se i funcionar tan bé durant tant de temps», afirma Connie Rockosi, científica de l’instrument DESI i professora a UC Santa Cruz i a UC Observatories. «En aquests cinc anys hem après molt sobre l’instrument i coneixem bé el seu comportament. Això és clau, perquè la seva eficiència és el que ens ha permès completar el cartografiat original amb unes dades tan valuoses i una producció científica tan significativa».

Per cartografiar els objectes, els investigadors utilitzen programari desenvolupat específicament per optimitzar les observacions de DESI i decidir cap a on apuntar el telescopi. Posicionadors robòtics alineen amb gran precisió fibres òptiques amb una exactitud de fins a 10 micres, menys que el gruix d’un cabell. Deu espectrògrafs mesuren i separen la llum en els seus diferents colors per determinar la posició, la velocitat i la composició química de cada objecte.

Els equips implicats en el projecte han desenvolupat múltiples millores per augmentar l’eficiència de DESI, que abasten des de l’operació del telescopi i ajustos en el maquinari fins a actualitzacions de programari, protocols d’observació i mètodes de reducció de dades.

«Hi ha hagut una monitorització constant i ajustos continus perquè tot funcioni correctament», assenyala Adam Myers, codirector de les operacions del sondeig de DESI i professor a la Universitat de Wyoming. «L’equip de DESI és extraordinari. Aquest gran grup de persones ha treballat per optimitzar cada detall, encara que fos en un o dos o tres per cent en el seu àmbit, i sumant tots aquests esforços s’han aconseguit millores d’eficiència realment notables».

DESI està dissenyat per realitzar diversos escombrats superposats del cel i cobrir completament la seva àrea d’observació (i, en alguns casos, repetir observacions d’objectes febles). L’eficiència del cartografiat ha estat tal que l’equip va completar una passada addicional del cel en l’anomenat “Bright-Time Survey”, que es duu a terme quan la llum reflectida per la Lluna dificulta l’observació d’objectes febles i llunyans. En total, DESI ha realitzat cinc passades en el Bright-Time Survey i set en el Dark-Time Survey, cobrint aproximadament dos terços del cel nocturn de l’hemisferi nord.

Més enllà del mapa inicial

DESI continuarà les seves observacions fins al 2028 i ampliarà el seu mapa en aproximadament un 20%, passant de 14.000 a 17.000 graus quadrats. (A tall de comparació, la Lluna cobreix aproximadament 0,2 graus quadrats i el cel complet supera els 41.000 graus quadrats). El mapa ampliat inclourà regions del cel més difícils d’observar: zones properes al pla de la Via Làctia, on les estrelles brillants properes dificulten l’observació d’objectes més llunyans, i regions més al sud, on el telescopi ha d’observar a través d’una major quantitat d’atmosfera terrestre.

L’experiment també tornarà a observar àrees ja cartografiades per recollir dades d’un nou conjunt de galàxies encara més llunyanes i febles. Aquestes permetran construir un mapa encara més dens i detallat en les regions ja cobertes, proporcionant als investigadors una visió més precisa de la història de l’univers.

Els investigadors estudiaran també galàxies nanes properes i corrents estel·lars, bandes d’estrelles arrencades de galàxies més petites per la gravetat de la Via Làctia. L’objectiu és comprendre millor la matèria fosca, la forma invisible de matèria que constitueix la major part de la massa de l’univers però que mai no ha estat detectada directament.

L’ampliació del mapa ja està en marxa. Quan va quedar clar que DESI seguiria operant més enllà del seu pla original, els investigadors van començar a intercalar noves observacions amb el cartografiat en curs per optimitzar l’ús del temps de telescopi i evitar que l’instrument quedés inactiu.

«Hem construït un instrument extraordinari que ha complert —i superat— totes les nostres expectatives», afirma Levi. «Ara estem anant més enllà del pla inicial. No sabem què trobarem, però creiem que serà realment emocionant».

La col·laboració Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI està finançat per les següents institucions: U.S. Department of Energy’s Office of Science i el National Energy Research Scientific Computing Center; 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; French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA); Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México; Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades d’Espanya i les institucions membres de DESI.

La col·laboració DESI se sent honorada de poder dur a terme recerca astronòmica a l’oligam Du’ag (Kitt Peak, Arizona), una muntanya amb un significat especial per a la nació Tohono O’odham.

Participen a DESI el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC/IEEC), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), l’Instituto de Física Teórica (IFT-UAM/CSIC), l’Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) i l’Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). La llista completa d’institucions participants i més informació sobre DESI està disponible a: https://www.desi.lbl.gov . Distribuït pel Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), l’Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC), l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), l’Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) i l’Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) en representació de la col·laboració DESI.