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El investigador del departamento de Investigación Básica, Santiago Ávila, escribe hoy un artículo en la revista Nature Astronomy, bajo el título "Desafíos al modelo de constante cosmológica tras los resultados del Dark Energy Survey", en el que discute las implicaciones para la física fundamental si se confirma que la energía oscura cambia con el tiempo.

En el artículo también ha sido co-liderado por el antiguo doctorando del CIEMAT, Juan Mena, en el que los autores presentan los últimos resultados obtenidos por la colaboración internacional del Sondeo de la Energía Oscura (DES, por sus siglas en inglés), que muestran cierta evidencia de que la energía oscura cambia con el tiempo. En concreto el estudio observó indicios de que la energía oscura, que se pensaba que era una constante cosmológica, podría evolucionar con el tiempo de maneras inesperadas.

En esta contribución invitada, los autores repasan cómo al principio de este siglo la comunidad cosmológica se enfrentó a una revolución: las observaciones de distancias a supernovas –explosiones de estrellas– lejanas indicaron que la expansión del universo se estaba acelerando.

Para explicar esta aceleración los cosmólogos introdujeron una nueva fuerza en el universo: la energía oscura. En su forma más sencilla, esta energía venía representada por una constante cosmológica, 𝚲, introducida por Einstein por primera vez para modificar sus propias ecuaciones. El hallazgo de las supernovas se unió a observaciones de la estructura a gran escala del universo –cómo se distribuyen las galaxias por el universo– y del fondo cósmico de radiación –la primera luz del universo primordial. De esta combinación salió el modelo standard, 𝚲CDM, donde aproximadamente un 70% de la energía del universo está en forma de la constante cosmológica, un 25% en forma de energía oscura fría (CDM, por sus siglas en inglés) y sólo un 5% en forma de la materia ordinaria (átomos).

En consecuencia, una serie de experimentos fueron diseñados para entender mejor la naturaleza de la energía oscura, y poder discernir entre la constante cosmológica, cuya densidad de energía es constante a pesar de la expansión del universo, y otros modelos de energía oscura más complejos, cuya densidad de energía, varía con el tiempo.

Entre estos experimentos, se encuentra el Dark Energy Survey (DES; el Sondeo de la Energía Oscura), diseñado para entender el componente dominante del universo a través de varias técnicas observacionales. Este proyecto fue liderado por Fermilab, en Chicago, pero el CIEMAT participó en la construcción de un nuevo instrumento, la Cámara de la Energía Oscura (DECam), la cámara astronómica más potente durante muchos años. DEcam se instaló en el telescopio Victor Blanco, en el Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo, en Chile, y desde allí observó un octavo del cielo a gran profundidad durante 6 años, midiendo 500 millones de objetos astronómicos.

Recientemente, DES publicó los resultados finales de la combinación de dos técnicas para medir la expansión del universo: la medida de supernovas muy lejanas, y las medidas de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO). DES ha generado el catálogo más completo y profundo de supernovas observadas por un solo telescopio. Además, midió con una precisión del 2% la escala del BAO, un patrón en la distribución de galaxias en el Universo generado por unas ondas de sonidos en la juventud del Universo.

Combinando ambas técnicas, DES determinó que estos datos son difíciles de reconciliar en el modelo estándar, 𝚲CDM. Si los datos de DES, se añaden medidas del fondo de radiación con el satélite Planck, se favorece un modelo en el que la energía oscura varía con el tiempo. Este modelo también es apoyado fuertemente por otra colaboración que también midió el BAO con mucha precisión en varias épocas cosmológicas: el Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI).

Aunque la evidencia acumulada aún no es suficientemente fuerte como para descartar definitivamente el modelo 𝚲CDM, la significancia estadística de los resultados ha puesto en alerta a toda la comunidad. Los autores de este artículo habían liderado anteriormente los análisis de BAO, supernovas, y de la combinación de ambas.

En el nuevo artículo discuten qué implicaciones tendría descartar el modelo de la constante cosmológica. Mientras la constante cosmológica se puede incluir de manera muy natural en las ecuaciones de la relatividad general de Einstein sin cambiar las simetrías que las fundan, una desviación de ésta supondría un cambio en nuestra concepción de la física fundamental. Podría suponer una modificación importante en las leyes de gravedad a escalas cosmológicas, o la inclusión de una quinta fuerza además de las cuatro fuerzas conocidas en la naturaleza.

Aunque los cosmólogos han podido medir los parámetros que cuantifican la variación de la energía oscura, trasladar estos parámetros a una teoría basada en fundamentos básicos, no es trivial. Y, de hecho, el valor de los parámetros medidos es algo controvertido, ya que podría indicar que la densidad de energía aumenta al expandir el universo, algo que algunos teóricos consideran con poco fundamento, mientras otros sugieren modelos del universo que podrían acomodar este fenómeno.

Además, qué modelo gobierna la evolución del universo tiene bastantes derivadas filosóficas sobre el destino del universo. Sin embargo, este cambio de paradigma aún no está confirmado. Por un lado, la comunidad considera que la significancia estadística de los resultados debería llegar a descartar que los datos sean compatibles 𝚲CDM con menos de una posibilidad entre un millón, objetivo que podría no estar lejos. Por otro lado, se requiere que haya más verificaciones con nuevos datos de otros experimentos, y quizás con nuevas técnicas alternativas.

Por ello el Sondeo de la Energía Oscura está trabajando en un nuevo análisis que combina otras técnicas tales como las lentes gravitacionales. Además, nuevos instrumentos más potentes como el satélite Euclid o el observatorio Rubin aportarán nuevos datos en los próximos años, que quizás terminen de decantar la balanza entre 𝚲 o una energía oscura que varía con el tiempo.

Artículo: "Desafíos al modelo de constante cosmológica tras los resultados del Dark Energy Survey"

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