Los astrofísicos miden la expansión del Universo a lo largo de 11.000 millones de años

Nuestro conocimiento sobre el Universo incluye tanto su historia antigua como la historia reciente de su expansión, pero entre ambos períodos existían vacíos en un lapso correspondiente a 11.000 millones de años. Durante cinco años, los científicos del SDSS han trabajado para conocer qué ocurrió durante ese período, y han utilizado esa información para conseguir uno de los avances más importantes en cosmología de la última década.

Los nuevos resultados son fruto de uno de los programas del SDSS, la colaboración internacional Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), en la que participan más de cien astrofísicos. Tres investigadores españoles han tenido un papel relevante en el análisis presentado hoy: Héctor Gil Marín, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB-IEEC); Andreu Font Ribera, del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), y Santiago Ávila, de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). En el núcleo de los nuevos resultados se encuentran las mediciones detalladas de más de dos millones de galaxias y cuásares, que cubren 11.000 millones de años de tiempo cósmico.

Gracias al estudio de la radiación del fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), y a las mediciones de las cantidades relativas de los elementos creados poco después del Big Bang, sabemos cómo era el Universo en su infancia. Conocemos también la historia de la expansión del Universo a lo largo de los últimos mil millones de años, a partir de los mapas de galaxias y de las mediciones de las distancias entre ellas, incluidas aquellas hechas en fases anteriores del SDSS.

«El análisis de eBOSS y los experimentos previos de SDSS muestran la historia de la expansión del Universo a lo largo del mayor período de tiempo estudiado hasta ahora», declara Héctor Gil Marín, becado por la Fundación "La Caixa" para realizar su posdoctorado en el ICCUB. Este investigador ha liderado el análisis de estos mapas de galaxias, midiendo el ritmo de expansión y el crecimiento de las estructuras del Universo de hace 6.000 millones de años. Estas medidas ayudan a unir la física temprana con la tardía, lo que permite generar una imagen completa de la expansión del Universo a lo largo del tiempo.

Una mirada al mapa obtenido revela filamentos y vacíos que definen la estructura del Universo desde el momento en que tenía solo unos 300.000 años. Usando este mapa, los investigadores buscan patrones en la distribución de las galaxias, los cuales proporcionan información sobre diversos parámetros clave de nuestro Universo, que eBOSS ha sido capaz de medir con una precisión superior al 1 %.

Este mapa es el resultado de más de veinte años de esfuerzos para cartografiar el Universo mediante el telescopio de la Fundación Alfred P. Sloan. La historia cósmica que revela muestra que la expansión del Universo comenzó a acelerarse hace unos 6.000 millones de años, y que ha seguido en aumento desde entonces. Esta expansión acelerada parece deberse a un misterioso componente invisible del Universo, llamado energía oscura, que es consistente con la teoría general de la relatividad de Einstein, pero extremadamente difícil de conciliar con nuestro conocimiento actual de la física de partículas.

Al combinar las observaciones hechas por eBOSS con los estudios sobre la infancia del Universo, los investigadores han obtenido una imagen con algunas incompatibilidades. La medición del ritmo actual de expansión del Universo (la conocida como constante de Hubble) es aproximadamente un 10 % inferior al valor encontrado cuando se mide el ritmo de expansión utilizando la distancia a galaxias cercanas.

«La alta precisión de los datos hace muy improbable que este desajuste se deba al azar», apunta Andreu Font Ribera, investigador del IFAE en Barcelona, quien ha liderado la interpretación de los resultados. «La gran variedad de datos de eBOSS hace que se llegue a esta misma conclusión de varias maneras independientes», comenta.No existe una explicación ampliamente aceptada para esta discrepancia en las medidas de las tasas de expansión, pero una posibilidad emocionante es que una forma previamente desconocida de materia o energía del Universo temprano hubiese dejado una huella en la expansión que observamos en la actualidad.

Todos estos resultados han visto la luz hoy con la publicación de más de veinte artículos científicos en ArXiv, documentos que describen, a lo largo de más de quinientas páginas, los análisis de los últimos datos de eBOSS. Con este hito se cumplen los objetivos clave del estudio.

Los distintos grupos del equipo eBOSS, ubicados en universidades de todo el mundo, se han centrado en diferentes aspectos del análisis. Los investigadores han utilizado galaxias rojas y masivas para obtener la parte del mapa datada hace 6.000 millones de años. Para distancias más lejanas, han usado galaxias azules más jóvenes. Por último, han utilizado cuásares —galaxias brillantes que se iluminan como consecuencia de la materia absorbida por un agujero negro supermasivo situado en su núcleo— para obtener el mapa del Universo de hace 11.000 millones de años y tiempos anteriores. Para revelar los patrones del Universo se ha hecho un análisis muy cuidadoso de cada medida, con el objetivo de eliminar posibles contaminantes.

«Hemos medido las propiedades estadísticas de estos mapas de galaxias y hemos deducido la tasa a la que se expande el Universo a lo largo del tiempo», explica Santiago Ávila, de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), quien ha desarrollado nuevos métodos para simular por ordenador mapas de galaxias como los que se observan en este estudio. Ávila añade: «En combinación con datos adicionales del fondo cósmico de microondas y observaciones de supernovas, hemos deducido que la curvatura geométrica del Universo es, de hecho, plana, y también hemos medido la tasa de expansión local con una precisión superior al 1 %».

Siguiendo el camino del SDSS, ya se está trabajando en la siguiente generación de telescopios que relevarán a eBOSS. Se empezará a finales de año con el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), que observará diez veces más galaxias y cuásares que eBOSS gracias a un nuevo instrumento localizado en el Observatorio Nacional de Kitt Peak (Arizona, Estados Unidos). Al mismo tiempo, la Agencia Espacial Europea planea para 2022 el despegue del satélite Euclid, equipado con un telescopio único que proporcionará una visión complementaria del Universo. Estos instrumentos, ambos con participación española, aportarán datos con una precisión nunca vista hasta el momento, hecho que nos permitirá resolver el enigma de la energía oscura y la discordancia entre el ritmo de expansión del Universo local y el primitivo. O tal vez, revelarán más sorpresas.

Más información:

Resumen de los datos de SDSS/eBOSS.

Resultados de la interpretación cosmológica de las medidas de eBOSS.