El Dark Energy Survey publica los resultados definitivos de la muestra de supernovas más grande, profunda y uniforme

Una cámara de energía oscura ofrece una visión única de la aceleración del universo.

Por el DOE/ Fermi National Accelerator Laboratory

Ejemplo de una supernova descubierta por el Dark Energy Survey dentro del campo cubierto por uno de los detectores individuales de la Dark Energy Camera. La supernova explotó en una galaxia espiral con desplazamiento al rojo = 0,04528, lo que corresponde a un tiempo de viaje de la luz de unos 600 millones de años. En comparación, el cuásar de la derecha tiene un desplazamiento al rojo de 3,979 y un tiempo de viaje de la luz de 11.500 millones de años. Crédito: DES/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani

En 1998, los astrofísicos descubrieron que el universo se expande a un ritmo acelerado, atribuido a una misteriosa entidad llamada energía oscura que constituye alrededor del 70% de nuestro universo. Aunque ya se preveía en mediciones anteriores, el descubrimiento fue en cierto modo una sorpresa; en aquel momento, los astrofísicos estaban de acuerdo en que la expansión del universo debería estar ralentizándose debido a la gravedad.

Este revolucionario descubrimiento, que los astrofísicos lograron con observaciones de tipos específicos de estrellas en explosión, denominadas supernovas de tipo Ia (léase "tipo uno-A"), fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2011.

Ahora, veinticinco años después del descubrimiento inicial, los científicos que trabajan en el Dark Energy Survey (DES) han dado a conocer los resultados de un análisis sin precedentes que utiliza la misma técnica para seguir indagando en los misterios de la energía oscura y la expansión del universo. Han establecido las restricciones más estrictas sobre la expansión del cosmos jamás obtenidas con el sondeo de supernovas DES.

Los resultados que concuerdan con el modelo cosmológico ya estándar de un universo con una expansión acelerada.

En una presentación realizada el pasado 8 de enero en la 243ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense y en un artículo publicado en enero en el Astrophysical Journal, los astrofísicos del DES informan de resultados que concuerdan con el modelo cosmológico ya estándar de un universo con una expansión acelerada. Sin embargo, los resultados no son lo bastante concluyentes como para descartar un modelo posiblemente más complejo.

El Dark Energy Survey es una colaboración internacional de más de cuatrocientos astrofísicos, astrónomos y cosmólogos de más de veinticinco instituciones dirigida por miembros del Fermi National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía de Estados Unidos.

Para comprender la naturaleza de la energía oscura y medir el ritmo de expansión del universo, los científicos del DES realizan análisis con cuatro técnicas diferentes, incluida la técnica de supernovas utilizada en 1998.

Esta técnica requiere datos de supernovas de tipo Ia, que se producen cuando una estrella muerta extremadamente densa, conocida como enana blanca, alcanza una masa crítica y explota. Dado que la masa crítica es prácticamente la misma para todas las enanas blancas, todas las supernovas de tipo Ia tienen aproximadamente el mismo brillo real y cualquier variación restante puede calibrarse. Así, cuando los astrofísicos comparan el brillo aparente de dos supernovas de tipo Ia vistas desde la Tierra, pueden determinar sus distancias relativas con respecto a nosotros.

Desplazamiento al rojo es el término utilizado para describir el estiramiento de las longitudes de onda de la luz de un objeto como resultado de la expansión del universo; cuanto mayor es la distancia del objeto, mayor es el desplazamiento al rojo. La historia detallada de la expansión del cosmos se determina con una relación precisa entre las distancias a las galaxias -o supernovas- y sus corrimientos al rojo. Crédito: DES Collaboration

Los astrofísicos trazan la historia de la expansión cósmica con grandes muestras de supernovas que abarcan una amplia gama de distancias. Para cada supernova, combinan su distancia con una medida de su desplazamiento al rojo, es decir, la velocidad a la que se aleja de la Tierra debido a la expansión del universo. Así pueden determinar si la densidad de energía oscura se ha mantenido constante o ha cambiado con el tiempo.

"A medida que el universo se expande, la densidad de materia disminuye", explica el director y portavoz del DES, Rich Kron, científico del Fermilab y de la Universidad de Chicago. Y añade: "Pero si la densidad de energía oscura es una constante, eso significa que la proporción total de energía oscura debe estar aumentando a medida que aumenta el volumen".

La culminación de una década de esfuerzos.

El modelo cosmológico estándar es el ΛCDM, Lambda Cold Dark Matter o Lambda Materia Oscura Fría, un modelo basado en que la densidad de energía oscura es constante a lo largo del tiempo cósmico. Nos dice cómo evoluciona el universo, utilizando solo unas pocas características, como la densidad de materia, el tipo de materia y el comportamiento de la energía oscura.

El método de las supernovas restringe muy bien dos de estas características: la densidad de materia y una cantidad llamada w, que indica si la densidad de energía oscura es constante o no.

Según el modelo cosmológico estándar, la densidad de la energía oscura en el universo es constante, lo que significa que no se diluye a medida que el universo se expande. Si esto es cierto, el parámetro representado por la letra w debería ser igual a -1.

Cuando la colaboración DES desveló internamente los resultados de sus supernovas, fue la culminación de una década de esfuerzos y un momento emotivo para muchos de los astrofísicos implicados. "Estaba temblando", afirma Tamara Davis, profesora de la Universidad de Queensland (Australia) y coorganizadora del grupo de trabajo sobre supernovas del DES. "Fue sin duda un momento emocionante".

Imagen en profundidad del Dark Energy Survey que muestra el campo cubierto por uno de los detectores individuales de la Cámara de Energía Oscura. Crédito: DES Collaboration/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani

Los resultados hallaron que w = -0,80 +/- 0,18 utilizando únicamente supernovas. Combinado con datos complementarios del telescopio Planck de la Agencia Espacial Europea, w alcanza -1 dentro de las barras de error.

"w no está exactamente en -1, pero se acerca lo suficiente como para ser coherente con -1", afirma Davis. "Podría ser necesario —continúa— un modelo más complejo. La energía oscura puede, en efecto, variar con el tiempo".

Para llegar a una conclusión definitiva, los científicos necesitarán más datos. Pero el DES no podrá proporcionarlos; el sondeo dejó de tomar datos en enero de 2019. El equipo de la supernova, dirigido por numerosos estudiantes de doctorado y becarios posdoctorales, pronto habrá extraído todo lo que pudo de las observaciones del DES.

"Más de treinta personas han participado en este análisis, y es la culminación de casi diez años de trabajo", dijo Maria Vincenzi, investigadora de la Universidad de Duke que codirigió el análisis cosmológico de la muestra de supernovas DES. Y añade: "Algunos de nosotros empezamos a trabajar en este proyecto cuando apenas estábamos al principio de nuestro doctorado, y ahora estamos empezando a ocupar puestos en la facultad. Así pues, la Colaboración DES contribuyó al crecimiento y desarrollo profesional de toda una generación de cosmólogos."

Un nuevo enfoque pionero.

Este análisis final de supernovas del DES introdujo muchas mejoras con respecto al primer resultado de supernovas del DES publicado en 2018, que utilizó solo 207 supernovas y tres años de datos.

Para el análisis de 2018, los científicos de DES combinaron datos sobre el espectro de cada supernova para determinar sus desplazamientos al rojo y clasificarlas como de tipo Ia o no. A continuación, utilizaron imágenes tomadas con diferentes filtros para identificar el flujo en el pico de la curva de luz, un método denominado fotometría.

Sin embargo, los espectros son difíciles de obtener y requieren mucho tiempo de observación en los telescopios más grandes, lo que será poco práctico para futuros estudios sobre la energía oscura, como el Legacy Survey of Space and Time (LSST), que se llevará a cabo en el Observatorio Vera C. Rubin, operado conjuntamente por el NOIRLab de la NSF y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del DOE.

El nuevo estudio es pionero en el uso de la fotometría —con un número sin precedentes de cuatro filtros— para encontrar las supernovas, clasificarlas y medir sus curvas de luz. La espectroscopia de seguimiento de la galaxia anfitriona con el Anglo-Australian Telescope proporcionó desplazamientos al rojo precisos para cada supernova.

El uso de los filtros adicionales también permitió obtener datos más precisos que en estudios anteriores y supone un gran avance en comparación con las muestras de supernovas ganadoras del Nobel, que solo utilizaban uno o dos filtros.

Los investigadores del DES utilizaron técnicas avanzadas de aprendizaje automático para ayudar a clasificar las supernovas. Entre los datos de unos dos millones de galaxias lejanas observadas, el DES encontró varios miles de supernovas. Al final, los científicos utilizaron 1.499 supernovas de tipo Ia con datos de alta calidad, lo que la convierte en la muestra de supernovas más amplia y profunda de un solo telescopio jamás recopilada.

En 1998, los astrónomos galardonados con el Nobel utilizaron sólo 52 supernovas para determinar que el universo se expande a un ritmo acelerado. "Se trata de un enorme avance con respecto a hace 25 años", afirma Davis.

El nuevo enfoque fotométrico presenta pequeños inconvenientes en comparación con la espectroscopia: dado que las supernovas no tienen espectro, existe una mayor incertidumbre en la clasificación. Sin embargo, el tamaño mucho mayor de la muestra que permite el enfoque fotométrico lo compensa con creces.

¿El mejor intento de explicar cómo funciona el universo?

Las innovadoras técnicas de las que ha sido pionero el DES darán forma e impulsarán los futuros análisis astrofísicos. Proyectos como el LSST de Rubin y el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA continuarán donde lo dejó el DES. "Somos pioneros en estas técnicas que serán directamente beneficiosas para la próxima generación de sondeos de supernovas", afirma Kron.

"Este nuevo resultado de la supernova es emocionante porque significa que podemos ponerle un lazo y entregarlo a la comunidad y decir: ‘Este es nuestro mejor intento de explicar cómo funciona el universo'", dice Dillon Brout, profesor asistente de la Universidad de Boston que codirigió el análisis cosmológico de la muestra de supernovas DES con Vincenzi. "Estas limitaciones —continúa— serán ahora el patrón oro en cosmología de supernovas durante bastante tiempo".

Incluso con experimentos de energía oscura más avanzados en camino, los científicos del DES subrayaron la importancia de contar con modelos teóricos para explicar la energía oscura, además de sus observaciones experimentales. "Todo esto es realmente territorio desconocido", dijo Kron. Y añade: "No tenemos una teoría que sitúe la energía oscura en un marco que se relacione con otras físicas que sí comprendemos. Por el momento, en DES estamos trabajando para restringir cómo funciona la energía oscura en la práctica con la expectativa de que, más adelante, se puedan falsar algunas teorías."

Los científicos del DES siguen utilizando los resultados de las supernovas en más análisis integrándolos con los resultados obtenidos con las demás técnicas del DES. "Combinar la información de la supernova DES con estas otras sondas informará aún mejor nuestro modelo cosmológico", comenta Davis.

"Aunque midamos la energía oscura con infinita precisión, eso no significa que sepamos lo que es", afirma Davis.Y concluye: "La energía oscura aún está ahí fuera por descubrir".

• Información facilitada por el Fermi National Accelerator Laboratory -Traducción: RexMolón Producciones

• Fuente: https://arxiv.org/abs/2401.02929