En 1998, los astrofísicos descubrieron que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, atribuido a una misteriosa entidad llamada energía oscura que constituye alrededor del 70% de nuestro universo. Si bien el descubrimiento fue presagiado por mediciones anteriores, fue algo sorprendente; En ese momento, los astrofísicos coincidieron en que la expansión del universo debería estar desacelerando debido a la gravedad.
Este descubrimiento revolucionario, que los astrofísicos lograron con observaciones de tipos específicos de estrellas en explosión, llamadas supernovas de tipo Ia (léase «tipo uno-A»), fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2011.
Ahora, 25 años después del descubrimiento inicial, los científicos que trabajan en el Dark Energy Survey han publicado los resultados de un análisis sin precedentes utilizando la misma técnica para investigar más a fondo los misterios de la energía oscura y la expansión del universo. Impusieron las limitaciones más fuertes a la expansión del universo jamás obtenidas con el estudio de supernovas DES.
En una presentación en el 243tercero reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense el 8 de enero y en un documento presentado a la Diario astrofísico en enero, titulado «The Dark Energy Survey: Resultados de cosmología con ~1500 nuevas supernovas de alto corrimiento al rojo tipo Ia utilizando el conjunto de datos completo de 5 años», los astrofísicos del DES informan resultados que son consistentes con el modelo cosmológico ahora estándar de un universo con una expansión acelerada. Sin embargo, los hallazgos no son lo suficientemente definitivos como para descartar un modelo posiblemente más complejo.
Adoptar un enfoque único para el análisis
El Dark Energy Survey es una colaboración internacional que comprende a más de 400 astrofísicos, astrónomos y cosmólogos de más de 25 instituciones dirigidas por miembros del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. DES cartografió un área de casi una octava parte de todo el cielo utilizando la Cámara de Energía Oscura, una cámara digital de 570 megapíxeles construida por Fermilab y financiada por la Oficina de Ciencias del DOE. Fue montado en el Telescopio Víctor M. Blanco en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo de la Fundación Nacional de Ciencias, un programa de NOIRLab de NSF en 2012. Los científicos del DES tomaron datos de 758 noches a lo largo de seis años.
Para comprender la naturaleza de la energía oscura y medir la tasa de expansión del universo, los científicos del DES realizan análisis con cuatro técnicas diferentes, incluida la técnica de supernova utilizada en 1998.
Esta técnica requiere datos de supernovas de tipo Ia, que ocurren cuando una estrella muerta extremadamente densa, conocida como enana blanca, alcanza una masa crítica y explota. Dado que la masa crítica es casi la misma para todas las enanas blancas, todas las supernovas de tipo Ia tienen aproximadamente el mismo brillo real y cualquier variación restante se puede calibrar. Entonces, cuando los astrofísicos comparan el brillo aparente de dos supernovas de tipo Ia vistas desde la Tierra, pueden determinar sus distancias relativas a nosotros.
Los astrofísicos rastrean 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 corrimiento al rojo: qué tan rápido se aleja de la Tierra debido a la expansión del universo. Pueden utilizar ese historial para 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 la materia disminuye», dijo el director y portavoz del DES, Rich Kron, científico del Fermilab y de la Universidad de Chicago. «Pero si la densidad de energía oscura es constante, eso significa que la proporción total de energía oscura debe aumentar a medida que aumenta el volumen».
La culminación de una década de esfuerzo
El modelo cosmológico estándar es ΛCDM, o Lambda Cold Dark Matter, o Lambda Cold Dark Matter, 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 sólo algunas características, como la densidad de la materia, el tipo de materia y el comportamiento de la energía oscura. El método de supernova limita muy bien dos de estas características: la densidad de la materia y una cantidad llamada wque 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 debe ser igual a -1.
Cuando la colaboración DES reveló internamente los resultados de su supernova, fue la culminación de una década de esfuerzo y un momento emotivo para muchos de los astrofísicos involucrados. «Estaba temblando», dijo Tamara Davis, profesora de la Universidad de Queensland en Australia y co-coordinadora del grupo de trabajo sobre supernovas del DES. «Definitivamente fue un momento emocionante».
Los resultados encontrados w = -0,80 +/- 0,18 usando solo supernovas. Combinado con datos complementarios del telescopio Planck de la Agencia Espacial Europea, w alcanza -1 dentro de las barras de error. «w Es sorprendente que no sea exactamente -1, pero lo suficientemente cerca como para que sea consistente con -1″, dijo Davis. «Podría ser necesario un modelo más complejo. De hecho, la energía oscura puede variar con el tiempo».
Para llegar a una conclusión definitiva, los científicos necesitarán más datos. Pero DES no podrá proporcionar eso; la encuesta dejó de tomar datos en enero de 2019. El equipo de supernova, dirigido por muchos Ph.D. estudiantes y becarios postdoctorales, pronto habrán extraído todo lo que puedan de las observaciones del DES.
«Más de 30 personas han participado en este análisis y es la culminación de casi 10 años de trabajo», dijo Maria Vincenzi, investigadora de la Universidad de Duke que codirigió el análisis cosmológico de la muestra de supernova DES. «Algunos de nosotros comenzamos a trabajar en este proyecto cuando apenas estábamos comenzando nuestro doctorado, y ahora estamos comenzando a ocupar puestos docentes. Entonces, la Colaboración DES contribuyó al crecimiento y desarrollo profesional de toda una generación de cosmólogos. «
Pioneros en un nuevo enfoque
Este análisis final de supernova de DES introdujo muchas mejoras con respecto al primer resultado de supernova de DES publicado en 2018 que utilizó solo 207 supernovas y tres años de datos.
Para el análisis de 2018, los científicos del DES combinaron datos sobre el espectro de cada supernova para determinar sus corrimientos al rojo y clasificarlas como tipo Ia o no. Luego utilizaron imágenes tomadas con diferentes filtros para identificar el flujo en el pico de la curva de luz, un método llamado fotometría. Pero los espectros son difíciles de adquirir, lo que requiere mucho tiempo de observación en los telescopios más grandes, lo que no será práctico para futuros estudios de 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 NOIRLab de NSF y el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del DOE.
El nuevo estudio es pionero en un nuevo enfoque para utilizar la fotometría, con cuatro filtros sin precedentes, para encontrar supernovas, clasificarlas y medir sus curvas de luz. La espectroscopia de seguimiento de la galaxia anfitriona con el Telescopio Anglo-Australiano proporcionó corrimientos al rojo precisos para cada supernova. El uso de filtros adicionales también permitió obtener datos más precisos que los de estudios anteriores y supone un avance importante en comparación con las muestras de supernovas ganadoras del Nobel, que sólo utilizaban uno o dos filtros.
Los investigadores del DES utilizaron técnicas avanzadas de aprendizaje automático para ayudar en la clasificación de las supernovas. Entre los datos de aproximadamente dos millones de galaxias distantes observadas, DES encontró varios miles de supernovas. Finalmente, los científicos utilizaron 1.499 supernovas de tipo Ia con datos de alta calidad, lo que la convierte en la muestra de supernova más grande y profunda jamás recopilada por un solo telescopio. En 1998, los astrónomos ganadores del Nobel utilizaron sólo 52 supernovas para determinar que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado. «Es una ampliación realmente enorme con respecto a hace 25 años», dijo Davis.
El nuevo enfoque fotométrico tiene pequeñas desventajas en comparación con la espectroscopia: dado que las supernovas no tienen espectro, existe una mayor incertidumbre en la clasificación. Sin embargo, el tamaño de muestra mucho mayor que permite el enfoque fotométrico compensa con creces esto.
Las técnicas innovadoras en las que DES fue pionera darán forma e impulsarán aún más los futuros análisis astrofísicos. Proyectos como el LSST de Rubin y el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace de la NASA continuarán donde lo dejó DES. «Somos pioneros en estas técnicas que serán directamente beneficiosas para la próxima generación de estudios de supernovas», dijo Kron.
«Este nuevo resultado de supernova es emocionante porque significa que realmente podemos hacerle un lazo y entregárselo a la comunidad y decir: 'Este es nuestro mejor intento de explicar cómo funciona el universo'», dijo Dillon Brout, un asistente. Profesor de la Universidad de Boston que codirigió el análisis cosmológico de la muestra de DES Supernova con Vincenzi. «Estas limitaciones serán ahora el estándar de oro en la cosmología de supernovas durante bastante tiempo».
Incluso con experimentos más avanzados sobre energía oscura en camino, los científicos del DES enfatizaron la importancia de tener modelos teóricos para explicar la energía oscura además de sus observaciones experimentales. «Todo esto es un territorio realmente desconocido», afirmó Kron. «No tenemos una teoría que coloque la energía oscura en un marco que se relacione con otras físicas que sí entendemos. Por el momento, en DES estamos trabajando para limitar cómo funciona la energía oscura en la práctica con la expectativa de que, más adelante, Algunas teorías pueden ser refutadas.»
Los científicos de DES continúan utilizando los resultados de la supernova en más análisis integrándolos con los resultados obtenidos con las otras técnicas de DES. «La combinación de la información de la supernova DES con estas otras sondas informará aún mejor nuestro modelo cosmológico», dijo Davis.
«Incluso si medimos la energía oscura con infinita precisión, eso no significa que sepamos qué es», dijo. «La energía oscura todavía está por descubrir».
