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«Este resultado es intrigante, porque sugiere que podríamos estar viendo indicaciones de una nueva física más allá del modelo estándar de la cosmología», señala Juan Mena, uno de los responsables del análisis combinado, quien realizó su doctorado en el CIEMAT y hoy en día es investigador postdoctoral en el Laboratorio de Física Subatómica y Cosmología de Grenoble (Francia). «Si estos indicios se confirman con nuevos datos, podríamos estar ante una revolución en nuestra comprensión del universo».

Los resultados no son suficientemente significativos todavía, así que no se puede anunciar un descubrimiento. No obstante, este mismo año se culminará el análisis científico de los datos de DES y los demás métodos de estudio de la energía oscura harán su contribución. Estos otros métodos son más sensibles al crecimiento de estructura en el universo, y proporcionarán mejores medidas de la energía oscura y comprobaciones adicionales de que el nuevo escenario que parece estar emergiendo con una energía oscura variable en el tiempo es consistente entre las diferentes medidas. Además, resultados similares están apareciendo en otros grandes proyectos cosmológicos, como DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument), lo que hace que la comunidad científica se encuentre en estado de alerta. 

«Aunque no podemos concluir todavía que la energía oscura cambie con el tiempo, empieza a resultar evidente que el modelo estándar ΛCDM no parece suficiente para explicar estos datos de DES», comenta Anna Porredon, una de las coordinadoras de este análisis e investigadora en el CIEMAT con una beca Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid. «Si otros análisis encuentran resultados similares, necesitaremos cambiar el paradigma cosmológico.»   

Si la energía oscura cambia con el tiempo no puede ser la constante cosmológica. Debería tratarse de un nuevo tipo de materia o de un nuevo fenómeno físico. Podría tratarse de un campo cuántico diferente a todos los conocidos, que llena el espacio y que no está en la teoría cuántica de la materia o de una indicación de que hay que extender la teoría de la relatividad general de Einstein. Un descubrimiento que pondría patas arriba la física fundamental y que, con gran probabilidad, nos llevaría a una comprensión más profunda del universo.

«De confirmarse, se trataría de uno de los resultados más importantes de las últimas décadas en cosmología, ya que abriría las puertas a nuevas ideas más allá del modelo estándar ΛCDM», comenta Juan García-Bellido, investigador del IFT-UAM/CSIC, que ha colaborado en esta medida. «Si los resultados adquieren mayor significancia con medidas futuras podríamos explorar ideas como GREA (General Relativistic Entropic Acceleration) o la quintaesencia, que predicen aceleraciones variables con la expansión del universo.».

Artículo científico: https://arxiv.org/abs/2503.06712

Décadas de investigaciones en cosmología han desembocado en el desarrollo del actual modelo estándar de la cosmología, conocido como ΛCDM. Esta teoría ha tenido un enorme éxito, pero sus consecuencias son pasmosas. El 95% del contenido en materia y energía del universo está constituido por dos entes exóticos y que nunca se han producido en laboratorio, cuya naturaleza física es aún desconocida. Se trata de la materia oscura, que da cuenta del 25% del contenido del cosmos y se corresponde con las letras CDM del nombre de la teoría (por Cold Dark Matter), y de la energía oscura, que contribuye con un 70% y corresponde a la letra Λ del nombre de la teoría. Solo el 5% restante es la materia ordinaria, de la que estamos hechos nosotros y lo que nos rodea.

En este modelo estándar de la cosmología, la energía oscura es la energía del espacio vacío, también conocida como la constante cosmológica (Λ), y su densidad permanece invariable a lo largo de la evolución del universo. Sin embargo, un nuevo resultado podría estar indicando que la energía oscura cambia con el tiempo. Las nuevas observaciones vienen del Cartografiado de la Energía Oscura (DES, por las siglas en inglés de Dark Energy Survey), un proyecto internacional diseñado para estudiar la energía oscura con una importante participación de científicos españoles en cuatro instituciones: el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) en Madrid, el Institut de Ciències de l'Espai (ICE) en Barcelona, el Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) en Barcelona y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Estas observaciones se suman a observaciones cosmológicas previas, mostrando así que estos indicios se encuentran en diferentes observaciones cosmológicas.

La constante cosmológica

En el año 1998, dos grupos de científicos descubrieron que la expansión del universo se acelera con el tiempo. Esta aceleración supuso una tremenda sorpresa puesto que, según la teoría de la gravedad, la relatividad general de Einstein, la presencia de materia en el universo debería frenar su expansión y, además, la densidad de la materia debería diluirse según el espacio se expande. La aceleración cósmica implica que el universo contiene una sustancia con propiedades físicas muy diferentes a la que se denomina energía oscura. La constante cosmológica es la explicación más sencilla de este comportamiento.

El modelo ΛCDM está sustentado por numerosas observaciones realizadas desde 1998. Sin embargo, los proyectos científicos dedicados a estudiar el universo han ido creciendo en precisión y sensibilidad y hoy en día las observaciones cosmológicas son ciencia de precisión. Esto permite realizar pruebas muy exigentes de ΛCDM.

El Dark Energy Survey

Como su nombre indica, DES es un proyecto internacional especialmente concebido para estudiar la energía oscura. Es una colaboración de más de 400 científicos de 7 países, liderada desde Fermilab (un laboratorio del departamento de energía de EEUU), Chicago. El proyecto está diseñado para utilizar cuatro métodos complementarios entre sí: distancias cosmológicas con supernovas tipo Ia; número de cúmulos de galaxias; la distribución espacial de las galaxias y el efecto lente gravitacional débil (se puede obtener una información más detallada en https://www.darkenergysurvey.org/es/ciencia/).

Estas sondas cosmológicas son de dos tipos. Las supernovas de tipo Ia y una escala de longitud especial impresa en la distribución espacial de las galaxias, conocida como la escala de las oscilaciones acústicas de los bariones (BAO), miden la historia de la expansión del universo. Los cúmulos de galaxias, el efecto lente gravitacional débil y otras propiedades de la distribución de las galaxias miden cómo se han ido formando las grandes estructuras del cosmos (galaxias, cúmulos de galaxias, etc.) por efecto de la fuerza de la gravedad. Además, estos métodos pueden combinarse entre sí para obtener mayor potencia estadística y mejor control de las observaciones.

Para conseguir utilizar todas estas técnicas, DES construyó la Cámara de la Energía Oscura (DECam, por Dark Energy Camera), de 500 Megapíxeles, una de las mayores y más sensibles del mundo. Está instalada en el telescopio Víctor M. Blanco, que tiene un espejo de 4m de diámetro, en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo, en Chile. DES ha cartografiado un octavo de la bóveda celeste hasta una profundidad sin precedentes. Tomó imágenes del cielo en 5 colores entre 2013 y 2019 y actualmente se encuentra en la fase final del análisis científico de estas imágenes. Las instituciones españolas forman parte del proyecto desde su inicio en 2005 y, además de haber colaborado de manera destacada en el diseño, fabricación, pruebas e instalación de DECam y en la toma de datos, tienen importantes responsabilidades en el análisis científico de los mismos.

La misteriosa energía oscura podría estar cambiando

DES acaba de publicar su medida final de la historia de la expansión del universo, combinando la escala BAO con las distancias obtenidas utilizando supernovas de tipo Ia. Este es un hito tanto para DES como para la cosmología con cartografiados de galaxias.

La escala BAO fija un tamaño especial en el universo: es la distancia a la que han viajado las ondas sonoras desde el comienzo del universo. Es lo que los cosmólogos llaman una regla estándar, porque se puede tomar como patrón de medida, y en este caso tiene una longitud de unos 500 millones de años luz. Este enorme tamaño permite medir distancias cosmológicas estudiando cómo su tamaño aparente cambia según observamos galaxias cada vez más distantes. DES analizó 16 millones de galaxias para medir la escala de la regla estándar BAO.

«Si calculamos la distancia entre todos los pares de galaxias al llegar a la escala BAO vemos que de repente hay más pares. Esta acumulación ocurre justo en la escala BAO y permite medirla.», comenta Santiago Ávila, que comenzó este análisis como contratado postdoctoral en el IFAE y hoy en día es investigador Ramón y Cajal en el CIEMAT y ha sido responsable del análisis BAO en DES y del último estudio. «Sin embargo, la medida de la escala BAO en los datos es un 4% más pequeña que lo que predice la teoría ΛCDM».

Por su parte, las supernovas de tipo Ia son gigantescas explosiones estelares que tienen una propiedad que las hace especiales: su brillo se puede calibrar y hacerlas todas iguales. De esta manera se convierten en excelentes indicadoras de distancias cósmicas, ya que al tener el mismo brillo intrínseco, si se ven muy débiles desde la Tierra es que están lejos, mientras que si se ven brillantes es que están cerca. DES ha recogido el mayor conjunto de supernovas tipo Ia hasta la fecha y ha realizado su análisis científico, obteniendo una medida de distancias independiente y complementaria a la obtenida con la escala BAO.

Combinando ambas determinaciones de la distancia con la radiación de fondo de microondas y otros parámetros del universo temprano, DES obtiene las propiedades que debe tener la energía oscura para explicarlas.