Una finestra per a il·luminar l'energia fosca

2024/09/02 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika
• Astronomia

“De moment, en general, les dades coincideixen amb el millor model de l'univers fins ara, però també hi ha algunes diferències interessants que suggereixen que l'energia fosca pot ser variable, evoluciona”. Així va presentar, el mes d'abril passat, els primers resultats d'aquest experiment el director de cooperació DESI, Michael Levi.

Encara que aquesta interpretació ha aixecat polèmiques entre els cosmólogos, ningú dubte del valor dels resultats obtinguts pel DESI. Es tracta del major experiment realitzat per a la recerca del cosmos. I han presentat una cartografia de l'univers sense precedents: un mapa tridimensional de sis milions de galàxies i 450.000 quasares que mostra com ha estat la distribució de la matèria en onze mil milions d'anys. Tot això per a intentar comprendre què és l'energia fosca, per a això van dissenyar l'Instrument d'Espectroscòpia de l'Energia Fosca (Dark Energy Spectroscopic A3) DESI.

“En el millor exemple de l'univers que tenim, del 95% de l'univers no sabem res”, diu Violeta González Pérez. González és físic teòric de la Universitat Autònoma de Madrid i un dels 900 científics que col·laboren en el DESI. “És a dir, tenint en compte tota la matèria i l'energia de l'univers, el 95% correspon a una part fosca que no entenem. Per això és important la cosmologia. Com a éssers humans, tenim la necessitat de comprendre de què està fet l'univers”.

De fet, la matèria comuna, la qual cosa podem veure, la qual cosa coneixem, no és més que el 5% del total de la matèria i energia de l'univers. La resta és matèria fosca (27%) i energia fosca (68%). La matèria fosca reté les estrelles i les galàxies unides, mentre que l'energia fosca fa que l'expansió de l'univers sigui cada vegada més ràpida.

No podem veure tota aquesta part fosca de l'univers, almenys no directament. “La forma en què es mouen les galàxies, el gas, etc. ens diu que aquí hi ha matèria i energia fosca”, explica González. “Això, o si no, no entenem bé la gravetat”.

Com influeix en el moviment i en l'evolució del que veiem, es pot utilitzar la llum per a intentar comprendre el fosc. I això és el que està fent DESI: recollint la llum procedent de les galàxies i els quasares, determinant la seva posició en el cel i a quina distància estan, està elaborant mapes tridimensionals. I a través d'aquests mapes es podrà analitzar com ha estat l'expansió de l'univers al llarg del temps.

De fet, els mapes còsmics també són màquines del temps. Ens mostren el passat. Els objectes més pròxims són els que estan més a prop en el temps, ja que la llum ha trigat menys temps a arribar on estem. Veiem la Lluna com era 1,3 segons abans; el Sol com era 8 minuts abans; les estrelles més brillants com eren fa dècades o segles; i les galàxies, com fa milions d'anys. El DESI arriba a veure l'univers de fa 11.000 milions d'anys. Hi ha alguna cosa, perquè es calcula que l'univers té uns 13.800 milions d'anys.

5.000 petits robots

“Abans de DESI, els mapes de SDSS (Sloan Digital Sky Survey) eren els millors”, diu González. “Per a cada observació es necessitava una gran placa d'alumini amb aproximadament mil forats. I totes les nits, per a cada observació, en aquests mil forats algú havia de posar les fibres a mà”. Cadascuna d'aquestes fibres condueix a un espectrògraf la llum que prové d'una galàxia o objecte. Perquè per a saber la distància es mesura la velocitat a la qual s'allunya de nosaltres. I això es realitza mitjançant una espectrometria molt concreta, mesurant el corriment al vermell de les línies d'emissió de l'objecte.

DESI compta amb 5.000 petits robots per al posicionament automàtic de fibres. En cada observació pot observar fins a 5.000 objectes, i una vegada ben definides les seves distàncies, pot passar a la següent observació. “Varia en funció de l'objecte que observem, però en el cas de galàxies amb línies d'emissió, per exemple, té uns deu minuts per a mesurar amb precisió la distància”, explica González. SDSS ha cartografiat dos milions d'objectes en 20 anys, mentre que DESI ha fet sis milions en el primer any. “És un salt tremend quant a dades”, ha subratllat González.

L'objectiu del projecte és cartografiar 37 milions de galàxies i 3 milions de quasares en cinc anys. “Acabem de complir el tercer any d'observacions i aproximadament el 60% de l'objectiu està cartografiat, diu González. “Anem una cosa més ràpida del que es preveu”.

Els resultats d'abril corresponen a les observacions del primer any. “Les dades s'ajusten bastant bé al model més acceptat actualment”, afirma González, igual que el director de DESI. “Però hem vist que si en lloc de mantenir constant la densitat d'energia fosca, permetem que canviïn al llarg del temps, les dades s'ajusten una mica millor. El resultat és molt interessant, però cal prendre-ho amb molta prudència, ja que aquesta millora no és tan gran”.

“Crec que hauríem d'esperar a veure les dades de tres anys”, ha afegit González. “I si continuem veient el mateix amb les dades de tres anys, llavors sí que haurem de pensar en altres models d'energies fosques; en models de quinta essència o més exòtics”.

De moment, el model de referència de l'univers és Lambda-CDM, on Lambda és energia fosca i CDM (Cold Dark Matter) matèria fosca. La matèria (fosca o convencional), per la força de la gravetat, exerceix una força contrària a l'expansió de l'univers. I a conseqüència d'això, l'expansió empresa en el Big bang s'aniria alentint, a poc a poc. Això es creia que fins que en 1998 dos grups astronòmics van descobrir que l'expansió de l'univers no s'estava alentint sinó accelerant. Van arribar a la conclusió que l'energia fosca és la que està provocant l'acceleració de l'expansió de l'univers. Llavors, l'energia fosca va substituir a la lambda constant cosmològica de les equacions d'Einstein.

En moltes interpretacions es considera energia associada a l'espai pur. A mesura que l'univers s'expandeix, es crea més espai, la qual cosa al seu torn genera més energia fosca. Així, la densitat d'energia fosca es mantindria constant.

Constant o variable

“Si admetem que les propietats de l'energia fosca són constants, el model és bastant tendre”, diu González. “Però si diem que evoluciona, llavors s'obren moltes possibilitats. I hi ha molts models que expliquen com l'energia fosca pot canviar amb el temps. Per exemple, una de les quals més m'ha cridat l'atenció últimament és que l'energia fosca pot estar dins dels forats negres, i com l'evolució dels forats negres depèn de l'evolució de les galàxies i, per tant, de l'evolució de l'univers, podria explicar que l'energia fosca també tingués una evolució en el temps”.

“Una altra opció és que no entenem bé la gravetat”, diu González. És a dir, que les equacions d'Einstein no són correctes. “Hi ha models que canvien la gravetat. Però el problema és que tenim un sistema solar molt ben estudiat i mesurat, i un model que faci qualsevol canvi de gravetat hauria de superar aquest grau de precisió que tenim per al sistema solar. I això és molt difícil”.

“Fins i tot abans del DESI, amb altres dades i observacions, diversos investigadors hem publicat models que prediuen que l'energia fosca és evolutiva”, explica Ruth Lazkoz Saez, professora i investigadora del departament de Física Teòrica i Història de la Ciència de la UPV/EHU. El seu equip va presentar en 2013, per exemple, un nou model que conjuminava energia i matèria fosca; i en aquest model també van proposar que l'energia fosca era dinàmica. I així ho han proposat en un treball que han fet recentment. “No és tan rar que l'energia fosca sigui evolutiva —diu Lazkoz—; hi ha molts treballs que demostren que això pot ser així”.

Lazkoz considera que la part més important dels resultats del DESI és la de les dades: “Física de dades i astrofísica de dades”. Quant a la part cosmològica, té més dubtes. “El grup de DESI ha fet una interpretació, però la indefinició és bastant gran, i aquí està la clau. Dins d'aquesta indefinició derivada de les dades, com es dedueix que l'energia fosca és variable o és una conseqüència d'aquesta indefinició?, això no és gens clar”.

“Es necessiten més proves i proves complementàries per a saber si això és cert o no”, ha afegit Lazkoz. “Un resultat així o un efecte revolucionari cal demostrar-lo bé i cal reforçar-lo en diversos aspectes, amb resultats diferents. Al cap i a la fi, la física i la ciència és això: poder repetir els resultats i les conseqüències”.

“El problema és que físicament és molt difícil presentar un model millor que Lambda-CDM”, diu Lazkoz. “Sent honestos, jo crec que la majoria dels altres models només tenen base matemàtica; els falta base física”.

El futur, desconegut

“El que passa és que no sabem què és l'energia fosca”, explica González. “I no sabem què és, no sabem si és constant”.

I sigui constant o no, el futur de l'univers pot ser molt diferent.

Si és constant, l'univers continuaria expandint-se i a poc a poc tot se separaria i es dissoldria: galàxies, estrelles, planetes, i finalment, també àtoms. A això se'n diu Big Rip o Gran Abrasió.

Per contra, si l'energia fosca es diluís, igual que es pot interpretar a partir de les dades del DESI, l'expansió es detindria, i per la gravetat tot acabaria en una implosió o Big Crunch. Aquesta era la teoria principal abans que aparegués l'energia fosca.

Vindran més resultats de DESIR i altres experiments com Euclid, Vera Rubin, Nancy Roman i 4MOST. Entre tots ells, podrem saber com s'estan allunyant centenars de milions d'objectes. Potser llavors sabem millor què és aquesta misteriosa energia fosca.

Què sabem ara com ara de l'energia fosca? “De veritat el que sabem? Doncs que és el component principal de l'univers i que genera acceleració”, ha respost Lazkoz. “Això està bastant demostrat. Això no es discuteix”. I el mateix ha respost González: “A aquesta pressió contra la gravetat que accelera l'expansió de l'univers la diem energia fosca. Si no existís aquesta pressió, l'expansió de l'univers es veuria alentida fins a detenir-se. Amb seguretat, només sabem això”.

És a dir, que encara sabem molt poc d'això que constitueix les dues terceres parts de l'univers. I que continua sent un dels majors misteris de la ciència. “Sí, juntament amb la matèria fosca —diu Lazkoz—, són els dos misteris més grans de la cosmologia”.