Hace más de diez años, dentro del proyecto Dark Energy Survey (DES) – Encuesta de Energía Oscura – comenzó la cartografía del universo con el objetivo de encontrar evidencias que nos ayuden a comprender la naturaleza del fenómeno misterioso conocido como energía oscura. Yo soy uno de los más de 100 científicos que participaron en la preparación de los resultados finales de las mediciones del DES, que fueron recientemente publicados en la 243ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Nueva Orleans.
Según las estimaciones, la energía oscura constituye alrededor del 70% del universo observable, pero todavía no comprendemos qué es. Aunque su naturaleza sigue siendo un misterio, el impacto de la energía oscura se siente a escalas cósmicas. Su efecto principal radica en la expansión acelerada del universo.
El anuncio hecho en Nueva Orleans podría acercarnos a una comprensión más completa de esta forma de energía. Entre otras cosas, nos brinda la oportunidad de verificar nuestras observaciones en relación con la idea llamada constante cosmológica, introducida por Albert Einstein en 1917 como un medio para contrarrestar los efectos de la gravedad en sus ecuaciones y obtener un universo que no se expande ni se contrae. Más tarde, Einstein excluyó esto de sus cálculos.
Sin embargo, más tarde los cosmólogos descubrieron que el universo no solo se está expandiendo, sino que también se está acelerando. Esta observación se atribuyó a una cantidad misteriosa llamada energía oscura. La concepto de la constante cosmológica de Einstein podría explicar la energía oscura si tuviera un valor positivo (lo que le permitiría coincidir con la expansión acelerada del cosmos).
Los resultados del DES son la culminación de décadas de trabajo de investigadores de todo el mundo y representan una de las mejores mediciones de un parámetro elusivo llamado «w», que denota la «ecuación de estado» de la energía oscura. Desde el descubrimiento de la energía oscura en 1998, el valor de su ecuación de estado ha sido una pregunta fundamental.
Este estado describe la relación entre la presión y la densidad de la energía del material. Todo en el universo tiene una ecuación de estado. Su valor indica si la sustancia es gaseosa, relativista (descrita por la teoría de la relatividad de Einstein) o no, o si se comporta como un líquido. Descifrar este índice es el primer paso para entender la verdadera naturaleza de la energía oscura.
Nuestra mejor teoría predice que «w» debe ser exactamente menos uno (w=-1). Esta predicción también sugiere que la energía oscura es, de hecho, la constante cosmológica propuesta por Einstein.
Engaño de las expectativas
La ecuación de estado igual a menos uno nos dice que, con el aumento de la densidad de energía de la energía oscura, aumenta la presión negativa. Cuanto mayor sea la densidad de energía en el universo, mayor será la repulsión, en otras palabras, la materia se aleja de otra materia, lo que conduce a un universo en constante expansión y aceleración. Esto puede parecer un poco extraño, ya que contradice todo lo que observamos en la Tierra.
En el trabajo se utiliza el sensor más preciso que tenemos para estudiar la historia de la expansión del universo: las supernovas de tipo Ia. Estas son un tipo de explosiones estelares y actúan como un criterio cósmico especial, permitiéndonos medir distancias sorprendentemente grandes en el universo. Luego, estas distancias se pueden comparar con nuestras expectativas. El mismo método se utilizó para descubrir la existencia de la energía oscura hace 25 años.
Sin embargo, la diferencia ahora radica en el tamaño y la calidad de nuestra muestra de supernovas. Utilizando nuevos métodos, el equipo de DES ha obtenido 20 veces más datos a lo largo de un amplio rango de distancias, lo que permitió realizar una de las mediciones más precisas de «w», dando un valor de -0,8.
A primera vista, esto no es exactamente menos uno, que predijimos. Esto podría indicar que no es una constante cosmológica. Sin embargo, la incertidumbre en tales mediciones es lo suficientemente grande, por lo que con una probabilidad del 5%, o con una relación de 20 a 1, se podría aceptar menos 1. El nivel de incertidumbre sigue siendo lo suficientemente alto como para afirmar algo con certeza, pero es un excelente comienzo.
Para detectar la partícula subatómica del bosón de Higgs en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones, se esperaba una probabilidad de error en la proporción de un millón a uno. Por cierto, nuestra medición podría indicar el fin de los modelos del «Gran Desgarrón», en los cuales las ecuaciones de estado son más negativas que menos uno. Según estos modelos, el universo se expande infinitamente, cada vez más rápido, y eventualmente romperá galaxias, sistemas planetarios e incluso el propio espacio-tiempo. Por lo tanto, es tranquilizador que hayan resultado ser incorrectos.
Como siempre, los científicos desean obtener más datos, y los planes ya están en marcha. Los resultados de DES sugieren que nuestros nuevos métodos serán útiles para futuros experimentos con supernovas en el marco de la misión de la ESA «Euclid» (lanzada en julio de 2023) y el nuevo Observatorio Vera Rubin en Chile. Pronto, el telescopio de este observatorio debería obtener la primera imagen del cielo después de la construcción, lo que permitirá tener una idea de sus capacidades.
Los telescopios de próxima generación podrán detectar miles más de supernovas, lo que nos ayudará a realizar nuevas mediciones de la ecuación de estado y arrojar aún más luz sobre la naturaleza de la energía oscura.
Robert Nicol, decano ejecutivo de la Facultad de Ciencias Ingenieriles y Físicas de la Universidad de Surrey. También es astrónomo y cosmólogo con más de 30 años de experiencia en importantes investigaciones astronómicas del cielo.
