El 21 de marzo, los 5.000 “ojos” de fibra óptica del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por Dark Energy Spectroscopic Instrument) apuntaron hacia una región del cielo cercana a la Osa Menor. Aproximadamente cada 20 minutos, se fijaban en débiles puntos de luz lejanos, recogiendo fotones que habían viajado hacia la Tierra durante miles de millones de años. Al amanecer, el equipo internacional de DESI celebró un hito clave: haber completado con éxito la observación de toda el área del cielo prevista en el proyecto original para completar el mayor mapa 3D del universo construido hasta la fecha.

El cartografiado de cinco años, finalizado antes de lo previsto y con una cantidad de datos muy superior a la esperada, ha dado lugar al mayor mapa tridimensional de alta resolución del universo jamás realizado. Los investigadores utilizan este mapa para estudiar la energía oscura, el componente fundamental que constituye alrededor del 70% del universo y que impulsa su expansión acelerada.

Al comparar cómo se agrupaban las galaxias en el pasado con su distribución actual, los investigadores han podido estudiar la influencia de la energía oscura a lo largo de 11.000 millones de años de historia cósmica. Resultados sorprendentes basados en los tres primeros años de datos de DESI apuntaban a que la energía oscura, que se consideraba una “constante cosmológica”, podría evolucionar con el tiempo. Con el conjunto completo de datos de cinco años, los investigadores dispondrán de mucha más información para comprobar si este indicio desaparece o se refuerza. De confirmarse, supondría un cambio significativo en nuestra comprensión del universo y de su posible destino, determinado por el equilibrio entre la materia y la energía oscura.

DESI es un experimento internacional en el que participan más de 900 investigadores de más de 70 instituciones de todo el mundo, liderado por el Laboratorio Lawrence Berkeley de los EE.UU. El instrumento está montado en el telescopio Nicholas U. Mayall, de 4 m, situado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, en Arizona (EE. UU.). Los grupos españoles de DESI tuvieron un papel crucial en su construcción y participan en su operación. El proyecto está gestionado por el Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU.

«El cartografiado de cinco años de DESI ha sido un éxito espectacular», afirma Michael Levi, director de DESI e investigador en Berkeley Lab. «El instrumento ha rendido mejor de lo previsto. Los resultados son extremadamente prometedores. La escala del mapa y la rapidez con la que hemos podido llevar a cabo el proyecto son extraordinarias. Ahora celebraremos la finalización del cartografiado original y comenzaremos a procesar los datos, porque todos tenemos curiosidad por descubrir qué nuevas sorpresas nos esperan».

DESI ha medido ya datos cosmológicos de seis veces más galaxias y cuásares que todos los estudios anteriores combinados. La colaboración comenzará de inmediato el procesamiento del conjunto completo de datos, con los primeros resultados sobre energía oscura basados en los cinco años de observaciones previstos para 2027. Mientras tanto, los investigadores continúan analizando los datos de los tres primeros años del proyecto, afinando las medidas de energía oscura y produciendo nuevos resultados sobre la estructura y evolución del universo, con varios artículos previstos para finales de este año.

Una máquina de observación

DESI comenzó a recopilar datos en mayo de 2021. Desde entonces, el instrumento ha superado ampliamente los objetivos iniciales de la colaboración. El plan era capturar luz de 34 millones de galaxias y cuásares (objetos extremadamente lejanos pero muy brillantes, con agujeros negros en su núcleo) a lo largo del cartografiado de cinco años. Sin embargo, al finalizar este periodo, DESI ha observado más de 47 millones de galaxias y cuásares, además de 20 millones de estrellas.

El éxito del proyecto resulta aún más notable teniendo en cuenta los desafíos afrontados. DESI es una máquina compleja, con miles de componentes que requieren mantenimiento. En 2020, las pruebas finales del instrumento se vieron interrumpidas por la pandemia de la COVID-19. En 2022, el incendio forestal Contreras afectó a la zona de Kitt Peak, aunque, gracias a la labor de los equipos de emergencia y del personal del observatorio, no causó daños en el telescopio. Las tareas de recuperación se vieron además ralentizadas por lluvias monzónicas y corrimientos de tierra.

«DESI es un sistema complejo pero extraordinariamente robusto, y ha sido muy gratificante verlo integrarse y funcionar tan bien durante tanto tiempo», afirma Connie Rockosi, científica del instrumento DESI y profesora en UC Santa Cruz y en UC Observatories. «En estos cinco años hemos aprendido mucho sobre el instrumento y conocemos bien su comportamiento. Esto es clave, porque su eficiencia es lo que nos ha permitido completar el cartografiado original con unos datos tan valiosos y una producción científica tan significativa».

Para cartografiar los objetos, los investigadores utilizan software específicamente desarrollado para optimizar las observaciones de DESI y decidir hacia dónde apuntar el telescopio. Posicionadores robóticos alinean con gran precisión fibras ópticas con una exactitud de hasta 10 micras, menos que el grosor de un cabello. Diez espectrógrafos miden y separan la luz en sus distintos colores para determinar la posición, la velocidad y la composición química de cada objeto.

Los equipos involucrados en el proyecto han desarrollado múltiples mejoras para aumentar la eficiencia de DESI, que abarcan desde la operación del telescopio y ajustes en el hardware hasta actualizaciones de software, protocolos de observación y métodos de reducción de datos.

«Ha habido una monitorización constante y ajustes continuos para que todo funcione correctamente», señala Adam Myers, codirector de las operaciones del sondeo de DESI y profesor en la Universidad de Wyoming. «El equipo de DESI es extraordinario. Este gran grupo de personas ha trabajado para optimizar cada detalle, aunque fuera en uno o dos o tres por ciento en su ámbito, y al sumar todos esos esfuerzos se han logrado mejoras de eficiencia realmente notables».

DESI está diseñado para realizar varios barridos superpuestos del cielo y cubrir completamente su área de observación (y, en algunos casos, repetir observaciones de objetos débiles). La eficiencia del cartografiado ha sido tal que el equipo completó una pasada adicional del cielo en el denominado “Bright-Time Survey”, que se lleva a cabo cuando la luz reflejada por la Luna dificulta la observación de objetos débiles y distantes. En total, DESI ha realizado cinco pasadas en el Bright-Time Survey y siete en el Dark-Time Survey, cubriendo aproximadamente dos tercios del cielo nocturno del hemisferio norte.

Más allá del mapa inicial

DESI continuará sus observaciones hasta 2028 y ampliará su mapa en aproximadamente un 20%, pasando de 14.000 a 17.000 grados cuadrados. (A modo de comparación, la Luna cubre aproximadamente 0,2 grados cuadrados y el cielo completo supera los 41.000 grados cuadrados). El mapa ampliado incluirá regiones del cielo más difíciles de observar: zonas cercanas al plano de la Vía Láctea, donde las estrellas brillantes cercanas dificultan la observación de objetos más lejanos, y regiones más al sur, donde el telescopio debe observar a través de una mayor cantidad de atmósfera terrestre.

El experimento también volverá a observar áreas ya cartografiadas para recoger datos de un nuevo conjunto de galaxias aún más distantes y débiles. Estas permitirán construir un mapa aún más denso y detallado en las regiones ya cubiertas, proporcionando a los investigadores una visión más precisa de la historia del universo.

Los investigadores estudiarán también galaxias enanas cercanas y corrientes estelares, bandas de estrellas arrancadas de galaxias más pequeñas por la gravedad de la Vía Láctea. El objetivo es comprender mejor la materia oscura, la forma invisible de materia que constituye la mayor parte de la masa del universo pero que nunca ha sido detectada directamente. La ampliación del mapa ya está en marcha. Cuando quedó claro que DESI seguiría operando más allá de su plan original, los investigadores comenzaron a intercalar nuevas observaciones con el cartografiado en curso para optimizar el uso del tiempo de telescopio y evitar que el instrumento quedara inactivo.

«Hemos construido un instrumento extraordinario que ha cumplido —y superado— todas nuestras expectativas», afirma Levi. «Ahora estamos yendo más allá del plan inicial. No sabemos qué encontraremos, pero creemos que será realmente emocionante».

La colaboración Dark Energy Spectroscopic Instrument

DESI está financiado por las siguientes instituciones: U.S. Department of Energy’s Office of Science y el National Energy Research Scientific Computing Center; National Science Foundation de Estados Unidos; Division of Astronomical Sciences bajo contrato con el National Optical Astronomy Observatory; Science and Technologies Facilities Council del Reino Unido; Fundación Gordon and Betty Moore; Fundación Heising-Simons; French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA); Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México; Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España y las instituciones miembros de DESI.

La colaboración DESI se siente honrada de que se le permita llevar a cabo investigaciones astronómicas en el l’oligam Du’ag (Kitt Peak, Arizona), una montaña con significado especial para la nación Tohono O’odham.

Participan en DESI el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC/IEEC), el Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE), el Instituto de Física Teórica (IFT-UAM/CSIC), el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). La lista completa de instituciones participantes y más información sobre DESI está disponible en: https://www.desi.lbl.gov . Distribuido por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB), el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC), el Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y el Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) en representación de la colaboración DESI.