Unha xanela para iluminar a enerxía escura

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

• Astrofisika
• Astronomia

“Polo momento, en xeral, os datos coinciden co mellor modelo do universo até agora, pero tamén hai algunhas diferenzas interesantes que suxiren que a enerxía escura pode ser variable, evoluciona”. Así presentou, o pasado mes de abril, os primeiros resultados deste experimento o director de cooperación DESI, Michael Levi.

Aínda que esta interpretación levantou polémicas entre os cosmólogos, ninguén dúbida do valor dos resultados obtidos polo DESI. Trátase do maior experimento realizado para a investigación do cosmos. E presentaron unha cartografía do universo sen precedentes: un mapa tridimensional de seis millóns de galaxias e 450.000 quasares que mostra como foi a distribución da materia en once mil millóns de anos. Todo iso para tentar comprender que é a enerxía escura, para o que deseñaron o Instrumento de Espectroscopia da Enerxía Escura (Dark Energy Spectroscopic A3) DESI.

“No mellor exemplo do universo que temos, do 95% do universo non sabemos nada”, di Violeta González Pérez. González é físico teórico da Universidade Autónoma de Madrid e un dos 900 científicos que colaboran no DESI. “É dicir, tendo en conta toda a materia e a enerxía do universo, o 95% corresponde a unha parte escura que non entendemos. Por iso é importante a cosmología. Como seres humanos, temos a necesidade de comprender de que está feito o universo”.

De feito, a materia común, o que podemos ver, o que coñecemos, non é máis que o 5% do total da materia e enerxía do universo. O resto é materia escura (27%) e enerxía escura (68%). A materia escura retén as estrelas e as galaxias unidas, mentres que a enerxía escura fai que a expansión do universo sexa cada vez máis rápida.

Non podemos ver toda esta parte escura do universo, polo menos non directamente. “A forma en que se moven as galaxias, o gas, etc. dinos que aí hai materia e enerxía escura”, explica González. “Iso, ou si non, non entendemos ben a gravidade”.

Como inflúe no movemento e na evolución do que vemos, pódese utilizar a luz para tentar comprender o escuro. E iso é o que está a facer DESI: recollendo a luz procedente das galaxias e os quasares, determinando a súa posición no ceo e a que distancia están, está a elaborar mapas tridimensionais. E a través destes mapas poder analizar como foi a expansión do universo ao longo do tempo.

De feito, os mapas cósmicos tamén son máquinas do tempo. Móstrannos o pasado. Os obxectos máis próximos son os que están máis cerca no tempo, xa que a luz tardou menos tempo en chegar onde estamos. Vemos a Lúa como era 1,3 segundos antes; o Sol como era 8 minutos antes; as estrelas máis brillantes como eran hai décadas ou séculos; e as galaxias, como fai millóns de anos. O DESI chega a ver o universo de fai 11.000 millóns de anos. Hai algo, porque se calcula que o universo ten uns 13.800 millóns de anos.

5.000 pequenos robots

“Antes de DESI, os mapas de SDSS (Sloan Dixital Sky Survey) eran os mellores”, di González. “Para cada observación necesitábase unha gran placa de aluminio con aproximadamente mil buracos. E todas as noites, para cada observación, nese mil buracos alguén tiña que pór as fibras a man”. Cada unha destas fibras conduce a un espectrógrafo a luz que provén dunha galaxia ou obxecto. Porque para saber a distancia mídese a velocidade á que se afasta de nós. E isto realízase mediante unha espectrometría moi concreta, medindo o corremento a lume das liñas de emisión do obxecto.

DESI conta con 5.000 pequenos robots para o posicionamento automático de fibras. En cada observación pode observar até 5.000 obxectos, e unha vez ben definidas as súas distancias, pode pasar á seguinte observación. “Varía en función do obxecto que observamos, pero no caso de galaxias con liñas de emisión, por exemplo, ten un dez minutos para medir con precisión a distancia”, explica González. SDSS ha cartografiado dous millóns de obxectos en 20 anos, mentres que DESI fixo seis millóns no primeiro ano. “É un salto tremendo en canto a datos”, subliñou González.

O obxectivo do proxecto é cartografiar 37 millóns de galaxias e 3 millóns de quasares en cinco anos. “Acabamos de cumprir o terceiro ano de observacións e aproximadamente o 60% do obxectivo está cartografiado, di González. “Imos algo máis rápido do previsto”.

Os resultados de abril corresponden ás observacións do primeiro ano. “Os datos axústanse bastante ben ao modelo máis aceptado actualmente”, afirma González, do mesmo xeito que o director de DESI. “Pero habemos visto que si en lugar de manter constante a densidade de enerxía escura, permitimos que cambien ao longo do tempo, os datos axústanse un pouco mellor. O resultado é moi interesante, pero hai que tomalo con moita prudencia, xa que esta mellora non é tan grande”.

“Creo que deberiamos esperar a ver os datos de tres anos”, engadiu González. “E si seguimos vendo o mesmo cos datos de tres anos, entón si que teremos que pensar noutros modelos de enerxías escuras; en modelos de quintaesencia ou máis exóticos”.

De momento, o modelo de referencia do universo é Lambda-CDM, onde Lambda é enerxía escura e CDM (Cold Dark Matter) materia escura. A materia (escura ou convencional), pola forza da gravidade, exerce unha forza contraria á expansión do universo. E como consecuencia diso, a expansión emprendida no Big Bang iríase retardando, aos poucos. Isto críase que ata que en 1998 dous grupos astronómicos descubriron que a expansión do universo non se estaba retardando senón acelerando. Chegaron á conclusión de que a enerxía escura é a que está a provocar a aceleración da expansión do universo. Entón, a enerxía escura substituíu á lambda constante cosmolóxica das ecuacións de Einstein.

En moitas interpretacións considérase enerxía asociada ao espazo puro. A medida que o universo se expande, créase máis espazo, o que á súa vez xera máis enerxía escura. Así, a densidade de enerxía escura manteríase constante.

Constante ou variable

“Si admitimos que as propiedades da enerxía escura son constantes, o modelo é bastante tenro”, di González. “Pero se dicimos que evoluciona, entón ábrense moitas posibilidades. E hai moitos modelos que explican como a enerxía escura pode cambiar co tempo. Por exemplo, unha das que máis me chamou a atención ultimamente é que a enerxía escura pode estar dentro dos buracos negros, e como a evolución dos buracos negros depende da evolución das galaxias e, por tanto, da evolución do universo, podería explicar que a enerxía escura tamén tivese unha evolución no tempo”.

“Outra opción é que non entendemos ben a gravidade”, di González. É dicir, que as ecuacións de Einstein non son correctas. “Hai modelos que cambian a gravidade. Pero o problema é que temos un sistema solar moi ben estudado e medido, e un modelo que faga calquera cambio de gravidade debería superar ese grao de precisión que temos para o sistema solar. E iso é moi difícil”.

“Mesmo antes do DESI, con outros datos e observacións, varios investigadores publicamos modelos que predín que a enerxía escura é evolutiva”, explica Ruth Lazkoz Saez, profesora e investigadora do departamento de Física Teórica e Historia da Ciencia da UPV/EHU. O seu equipo presentou en 2013, por exemplo, un novo modelo que axuntaba enerxía e materia escura; e nese modelo tamén propuxeron que a enerxía escura era dinámica. E así o propuxeron nun traballo que fixeron recentemente. “Non é tan raro que a enerxía escura sexa evolutiva —di Lazkoz—; hai moitos traballos que demostran que iso pode ser así”.

Lazkoz considera que a parte máis importante dos resultados do DESI é a dos datos: “Física de datos e astrofísica de datos”. En canto á parte cosmolóxica, ten máis dúbidas. “O grupo de DESI fixo unha interpretación, pero a indefinición é bastante grande, e aí está a clave. Dentro desa indefinición derivada dos datos, como se deduce que a enerxía escura é variable ou é unha consecuencia desa indefinición?, iso non está nada claro”.

“Necesítanse máis probas e probas complementarias para saber si isto é certo ou non”, engadiu Lazkoz. “Un resultado así ou un efecto revolucionario hai que demostralo ben e hai que reforzalo en varios aspectos, con resultados diferentes. Á fin e ao cabo, a física e a ciencia é iso: poder repetir os resultados e as consecuencias”.

“O problema é que fisicamente é moi difícil presentar un modelo mellor que Lambda-CDM”, di Lazkoz. “Sendo honestos, eu creo que a maioría dos demais modelos só teñen base matemática; fáltalles base física”.

O futuro, descoñecido

“O que pasa é que non sabemos que é a enerxía escura”, explica González. “E non sabemos que é, non sabemos si é constante”.

E sexa constante ou non, o futuro do universo pode ser moi diferente.

Si é constante, o universo seguiría expandíndose e aos poucos todo se separaría e disolveríase: galaxias, estrelas, planetas, e finalmente, tamén átomos. A isto chámaselle Big Rip ou Gran Abrasión.

Pola contra, si a enerxía escura diluísese, do mesmo xeito que se pode interpretar a partir dos datos do DESI, a expansión deteríase, e pola gravidade todo terminaría nunha implosión ou Big Crunch. Esta era a teoría principal antes de que aparecese a enerxía escura.

Virán máis resultados de DESIR e outros experimentos como Euclid, Beira Rubin, Nancy Roman e 4MOST. Entre todos eles, poderemos saber como se están afastando centos de millóns de obxectos. Quizá entón saibamos mellor que é esa misteriosa enerxía escura.

Que sabemos neste momento da enerxía escura? “De verdade o que sabemos? Pois que é o compoñente principal do universo e que xera aceleración”, respondeu Lazkoz. “Iso está bastante demostrado. Iso non se discute”. E o mesmo respondeu González: “A esta presión contra a gravidade que acelera a expansión do universo chamámola enerxía escura. Si non existise esta presión, a expansión do universo veríase retardada até deterse. Con seguridade, só sabemos iso”.

É dicir, que aínda sabemos moi pouco diso que constitúe as dúas terceiras partes do universo. E que segue sendo un dos maiores misterios da ciencia. “Si, xunto coa materia escura —di Lazkoz—, son os dous misterios máis grandes da cosmología”.