Energía Oscura

[AlbertR]

La caracterización más sencilla de la energía oscura (responsable de la expansión acelerada del universo) es que coincide con la Constante Cosmológica de Einstein, (Λ es una constante a lo largo de toda la vida del universo). Una manera equivalente de decirlo es que la ecuación de estado de la energía oscura (w=p/ρ el cociente entre su presión y su densidad) es constante w=-1 a lo largo de toda la vida del universo. Y otra manera de decirlo es que la densidad de energía oscura es una densidad de energía del vacío de valor constante durante toda la vida del Universo. Esta caracterización da lugar a lo que se conoce como Modelo Cosmológico ΛCDM de consenso.

En los últimos años diversos estudios cosmológicos podrían apuntar a que la energía oscura podría ser algo más complicado que la simple constante cosmológica Λ de Einstein, ya que su densidad podría no ser constante a lo largo del tiempo.

He leído el artículo de divulgación titulado "Una nueva medida de distancias cósmicas en el Dark Energy Survey da pistas sobre la naturaleza de la energía oscura" liderado por Investigadores del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Institut de Ciències de l’Espai (ICE-CSIC,IEEC), el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) y el Instituto de Física Teórica (UAM-CSIC) todos miembros de la cooperación Dark Energy Survey (DES) que ya ha aparecido en algún otro hilo del foro.

De acuerdo con ΛCDM, en el universo muy temprano se propagaron ondas de sonido. En esas etapas tempranas, el universo tenía una temperatura y una densidad enormes. La presión en este gas inicial trataba de separar las partículas que lo formaban, mientras que la gravedad trataba de juntarlas, y la competición entre las dos fuerzas creó ondas "sonoras" (ondas de presión) que se propagaron desde los inicios del universo hasta unos 400.000 años después del Big Bang. En ese momento la radiación y la materia se desacoplaron y las ondas quedaron congeladas, dejando una huella en la distribución espacial de la materia. Esta huella se observa como una pequeña acumulación preferencial de galaxias separadas por una distancia característica, denominada por los cosmólogos escala de las oscilaciones acústicas de los bariones (BAO por sus siglas en inglés, Baryon Acoustic Oscillations), y corresponde con la distancia recorrida por las ondas sonoras en esos 400.000 años.

El Dark Energy Survey (DES, o Cartografiado de la Energía Oscura) acaba de medir la escala BAO cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual con una precisión del 2%, la determinación más precisa hasta el momento en una época tan temprana, y la primera vez que una medida sólo con imágenes es competitiva con grandes campañas de espectroscopía diseñadas específicamente para detectar esta señal.

Señal de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO) en los datos del Dark Energy Survey (DES). Cuando representamos el número de pares de galaxias en función de la separación angular en el cielo, vemos un exceso de pares a 2.90 grados. Esto es provocado por las ondas BAO que han viajado cientos de millones de años luz desde el Big Bang. La onda ocupa un tamaño en el cielo algo superior a la predicha por el modelo estándar de cosmología y los datos del satélite Planck. Credit: Dark Energy Survey Collaboration.

La distancia que viaja la onda sonora en el universo primitivo depende de procesos físicos muy bien conocidos, así que se puede determinar con gran precisión, fijando una vara de medir para el universo. Es lo que los cosmólogos llaman una regla estándar, y en este caso tiene una longitud de unos 500 millones de años luz. Observando el ángulo que esta regla estándar subtiende en el cielo a diferentes distancias (o lo que es lo mismo, en diferentes épocas del universo), se puede determinar la historia de la expansión cósmica y con ella las propiedades físicas de la energía oscura. En particular, se puede determinar analizando el fondo de microondas, la radiación liberada cuando se formaron los átomos, 400.000 años después del Big Bang y que nos da una foto del universo muy temprano, tal y como publicó la colaboración Planck en 2018. También se puede determinar en el universo tardío mediante el estudio de la escala BAO en cartografiados de galaxias, tal y como ha hecho DES en 2023. El análisis de la consistencia de ambas determinaciones es una de las pruebas más exigentes a las que se puede someter al modelo estándar de la cosmología.

Lo que observamos es que las galaxias tienen una mayor tendencia a estar separadas entre sí por un ángulo de 2,90 grados en el cielo frente a otras distancias, comenta Santiago Ávila, investigador postdoctoral del IFAE, uno de los coordinadores del análisis. «¡Esa es la señal! La onda se puede ver claramente en los datos», añade refiriéndose al primer gráfico. «Es una preferencia sutil, pero estadísticamente relevante», dice, «y podemos determinar el recorrido de la onda con una precisión del 2%.

Un hallazgo interesante de este estudio es que el tamaño que estas ondas ocupan en el cielo es un 4% más grande de lo predicho a partir de las medidas hechas por el satélite Planck de la ESA en el universo temprano utilizando la radiación de fondo de microondas. Dadas las incertidumbres del análisis y la muestra de galaxias, esta discrepancia tiene un 5% de posibilidades de ser una mera fluctuación estadística. Si no lo fuese, podríamos estar ante una de las primeras pistas de que la teoría actual de la cosmología no es del todo completa, y la naturaleza física de las componentes oscuras es todavía más exótica de lo que se pensaba: por ejemplo, la energía oscura podría no ser la energía del vacío, su densidad podría cambiar con la expansión del universo.

 

En dorado vemos la medida de la escala BAO del Dark Energy Survey, que se desvía del modelo estándar (línea horizontal en 1 en este gráfico) un 4%, mientras que las incertidumbres asociadas al análisis son del 2% (indicadas por la barra vertical). Esta discrepancia podría ser una pista sobre la energía oscura o podría ser por mero azar, con un 5% de posibilidades. Esta medida se ha hecho observando galaxias que emitieron su luz cuando el Universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual, que es 14 mil millones de años. En azul se muestran medidas del Baryonic Oscillations Spectroscopic Survey (BOSS) y su extensión (eBOSS). DES nos da la medida más precisa cuando el Universo tenía unos 7 mil millones de años de edad. Credit: Dark Energy Survey Collaboration.

Podéis leer el artículo completo en español en la web del IFAE: Una nueva medida de distancias cósmicas en el Dark Energy Survey da pistas sobre la naturaleza de la energía oscura

El artículo científico es Dark Energy Survey: A 2.1% measurement of the angular Baryonic Acoustic Oscillation scale at redshift zeff=0.85 from the final dataset

Saludos.