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Una celebración artística de los datos del primer año del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), que muestra una porción del mapa 3D más grande que DESI está construyendo durante su estudio de cinco años. | Crédito: Colaboración DESI/KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/P. Horálek/R. Procurador
La relatividad general ha pasado una de sus pruebas más precisas gracias a las observaciones de los últimos 11 mil millones de años de evolución cósmica recopiladas por el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, o DESI.
La teoría de la relatividad general de Albert Einstein de 1915 ha seguido siendo la mejor descripción de la gravedad de la humanidad durante los últimos 100 años. Los cosmólogos han utilizado la relatividad general para modelar cómo ha evolucionado el cosmos (desde sus primeros momentos hasta su estado actual) y han demostrado cómo la gravedad unió pequeños grupos de materia para formar vastas galaxias, así como cúmulos de esas galaxias. Sin embargo, si bien la relatividad general ha pasado todas las pruebas que se le han aplicado en escalas relativamente pequeñas, pocas pruebas la han desafiado a escalas muy grandes.
Los científicos han realizado ahora una de estas pruebas a gran escala utilizando DESI. Observaron casi 6 millones de galaxias y quásares, que son corazones brillantes de galaxias alimentados por agujeros negros supermasivos. Quizás no sea sorprendente que esta prueba, que ha rastreado la evolución del universo desde que tenía alrededor de 3 mil millones de años, haya demostrado una vez más que la relatividad general es la “receta” correcta para la gravedad.
“La relatividad general ha sido probada muy bien a escala de los sistemas solares, pero también necesitábamos probar que nuestra suposición funciona a escalas mucho mayores”, dijo la codirectora del estudio y cosmóloga del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS), Pauline Zarrouk. en un comunicado. “Estudiar el ritmo al que se formaron las galaxias nos permite probar directamente nuestras teorías y, hasta ahora, nos estamos alineando con lo que predice la relatividad general a escalas cosmológicas”.
Montado en el telescopio de 4 metros Nicholas U. Mayall del Observatorio Nacional Kitt Peak, DESI es un instrumento de última generación compuesto por 5.000 “ojos robóticos”. El experimento se encuentra ahora en el cuarto año de su proyecto de estudio del cielo de cinco años de duración, en el que eventualmente se observarán aproximadamente 40 millones de galaxias y quásares.
Los datos de los estudios del cielo podrían ser esenciales para comprender la energía y la materia oscuras, la misteriosa sustancia que pesa más que las partículas de “materia cotidiana” que componen las estrellas, los planetas, las lunas y todo lo que vemos a nuestro alrededor en el día a día, pero permanece efectivamente invisible. Descritos colectivamente como el “universo oscuro”, la energía y la materia oscuras sugieren que todo lo que entendemos en el cosmos representa sólo el 5% de su contenido.
Un círculo negro dividido en tres secciones por líneas radiales blancas.
“La materia oscura constituye aproximadamente una cuarta parte del universo, y la energía oscura representa otro 70 por ciento, y no sabemos realmente qué es ninguna de las dos”, dijo el miembro del equipo Mark Maus, estudiante de doctorado en Berkeley Lab y UC Berkeley. en el comunicado. “La idea de que podamos tomar fotografías del universo y abordar estas grandes y fundamentales preguntas es alucinante”.
Pesando fantasmas cósmicos
La relatividad general puede ser la mejor descripción de la gravedad que tenemos, pero no puede explicar cada elemento del universo que observamos actualmente, en particular la expansión acelerada del espacio y el efecto gravitacional de la materia oscura. La aceleración de la expansión del espacio se atribuye actualmente a una fuerza “marcadora de posición” llamada energía oscura, que escapa a la descripción de los modelos cosmológicos basados en la relatividad general.
Esta falta de explicación de la energía oscura ha llevado a algunos científicos a proponer alternativas a la relatividad general que se basan en ajustes a la teoría de la gravedad de Isaac Newton, que reemplazó la teoría de la obra maestra de Einstein. Estas teorías generalmente se denominan “teorías modificadas de la gravedad” y explican las observaciones del universo sin la necesidad de introducir algo desconocido, como la energía oscura.
Además de ayudar a validar el modelo líder del universo basado en la relatividad general, el modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM), los hallazgos de DESI también han ayudado a descartar algunas teorías de la gravedad modificada.
Un cono blanco deformado sobre un fondo negro
Además, los mismos resultados de DESI han ayudado a fijar un límite superior a la masa de las llamadas “partículas fantasma” o neutrinos.
Los neutrinos obtienen su reputación de fantasmas del zoológico de partículas debido a su falta de carga eléctrica y al hecho de que prácticamente no tienen masa. Mientras lees esta frase, billones de estas partículas han circulado por tu cuerpo a una velocidad cercana a la de la luz, sin ser detectadas.
Los neutrinos son las únicas partículas fundamentales que hemos descubierto cuyas masas no han sido definidas con precisión por los científicos. Mientras que experimentos anteriores definieron la masa inferior de los neutrinos, los resultados de DESI establecieron un límite superior, dando a los investigadores un rango de masa mejor definido dentro del cual deberían habitar los neutrinos.
Hilos rojos y naranjas que se encuentran en nodos sobre un fondo negro
Los nuevos resultados provienen de un análisis ampliado del primer año de datos DESI, publicado en abril de 2024. Estos datos formaron el mapa 3D más grande del universo creado hasta la fecha. Estos resultados ya eran notables porque parecían mostrar que la fuerza de la energía oscura está cambiando con el tiempo.
Los resultados de DESI de abril se centraron en un factor de agrupación de galaxias llamado oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), oscilaciones en la densidad de la materia que permiten que crezcan estructuras a gran escala. Este nuevo examen de estos resultados incluyó lo que los investigadores llaman un “análisis de forma completa”, que examinó más a fondo cómo se distribuyen las galaxias y la materia en diferentes escalas en el espacio.
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Se espera que en la primavera de 2025 se publiquen más resultados del segundo y tercer año de operaciones de DESI.
“Tanto nuestros resultados de BAO como el análisis de forma completa son espectaculares”, dijo en el comunicado el codirector de la investigación Dragan Huterer de la Universidad de Michigan. “Esta es la primera vez que DESI observa el crecimiento de la estructura cósmica. Estamos mostrando una nueva y tremenda capacidad para sondear la gravedad modificada y mejorar las limitaciones de los modelos de energía oscura. Y es sólo la punta del iceberg”.
Los resultados de DESI se describen en varios artículos que se publicaron en el sitio del repositorio de investigación arXiv el martes (19 de noviembre).