Los datos finales del Dark Energy Survey desafían nuestra comprensión de la evolución cósmica

Los datos finales del Dark Energy Survey desafían nuestra comprensión de la evolución cósmica

Tras seis años de escanear el cielo del hemisferio sur, el Dark Energy Survey (DES) ha publicado su análisis definitivo del Año 6 (Y6), proporcionando una de las pruebas de esfuerzo más rigurosas del Modelo Estándar de la cosmología hasta la fecha. Al mapear las posiciones y formas de casi 150 millones de galaxias a lo largo de 5.000 grados cuadrados, un equipo internacional de investigadores ha sondeado los 13.800 millones de años de historia del universo con una precisión sin precedentes. Los hallazgos, liderados por una masiva colaboración que incluye a investigadores como J. Fang, Y. Zhang y J. Carretero, refuerzan una discrepancia persistente y provocadora: el universo moderno parece menos "agrupado" de lo que sugieren las condiciones del universo temprano. Esta "tensión S8" podría señalar que nuestra comprensión actual de la física —específicamente el modelo Lambda-Materia Oscura Fría (ΛCDM)— requiere una revisión fundamental para explicar la evolución de las estructuras cósmicas.

El Dark Energy Survey, con sede en el Telescopio Blanco en Chile y gestionado en parte por el Fermi National Accelerator Laboratory, fue diseñado para investigar la naturaleza de la energía oscura, la misteriosa fuerza que impulsa la expansión acelerada del universo. Los resultados del Año 6 representan la culminación de media década de observación y varios años de riguroso "análisis a ciegas", un proceso en el que los científicos se ocultan a sí mismos los resultados finales para evitar el sesgo de confirmación. Al analizar la estructura a gran escala del universo, la colaboración DES pretende determinar cómo la materia oscura se ha agrupado a lo largo de eones y cómo la energía oscura ha luchado contra ese agrupamiento estirando el propio tejido del espacio-tiempo.

La metodología del mapeo cósmico

Para lograr estos resultados, la colaboración utilizó una sofisticada metodología conocida como análisis "3x2pt", que combina tres funciones de correlación de dos puntos diferentes. Primero, los investigadores midieron la "cizalladura cósmica" de aproximadamente 140 millones de galaxias fuente. Esto implica detectar las diminutas distorsiones en las formas de galaxias distantes causadas por la atracción gravitatoria de la materia oscura interpuesta, un fenómeno conocido como lente gravitacional débil. Segundo, analizaron el "agrupamiento galáctico" de 9 millones de galaxias lente, mapeando sus posiciones específicas para ver cómo las galaxias se agrupan de forma natural. Finalmente, realizaron el "lente galaxia-galaxia", una técnica de correlación cruzada que vincula las posiciones de las galaxias lente en primer plano con las formas distorsionadas de las galaxias fuente en el fondo. Este enfoque múltiple permite una medición autoconsistente tanto de la cantidad total de materia en el universo como del grado en que esta se concentra.

La métrica principal utilizada para describir esta concentración es el parámetro S8, que representa la amplitud de agrupamiento de la materia. Según el análisis 3x2pt del Año 6 del DES, el valor de S8 se midió en 0,789 ± 0,012, mientras que la densidad de materia total (Ωm) resultó ser de 0,333. Estas cifras son notablemente precisas, pero existen en tensión con las predicciones derivadas del Fondo Cósmico de Microondas (CMB), el "resplandor" del Big Bang. Los datos del satélite Planck, así como del Atacama Cosmology Telescope (ACT-DR6) y del South Pole Telescope (SPT-3G), sugieren un valor de S8 más alto, lo que significa que el universo temprano predice un universo moderno más agrupado de lo que el DES observa realmente.

La creciente "tensión S8"

Esta discrepancia, conocida como la tensión S8, se ha convertido en un foco central de la cosmología moderna. Los resultados del Año 6 del DES muestran una tensión de 2,6 sigmas cuando se proyectan únicamente sobre el parámetro S8 en comparación con los conjuntos de datos de anisotropía primaria del CMB. Cuando se considera el espacio de parámetros completo, la diferencia es de aproximadamente 1,8 sigmas. Aunque estas cifras puedan parecer pequeñas para un profano, en el mundo de la física de alta precisión representan una "grieta" persistente en el Modelo Estándar. Si el universo temprano (el CMB) y el universo tardío (las galaxias mapeadas por el DES) no se alinean, esto sugiere que algo ocurrió durante los miles de millones de años de evolución cósmica que nuestras ecuaciones actuales no captan. El universo es, efectivamente, más "suave" de lo que pensábamos que sería en esta etapa de su vida.

La robustez estadística de este hallazgo se ve reforzada por la enorme escala de la colaboración DES. Con contribuciones de instituciones como la University of Chicago, Princeton University y el University College London, el estudio se sometió a exhaustivas comprobaciones sistemáticas. Los investigadores tuvieron en cuenta variables como los errores de desplazamiento al rojo fotométrico (estimación de distancias galácticas), la alineación intrínseca de las galaxias y los efectos de la "retroalimentación bariónica" —la forma en que el gas y las estrellas dentro de las galaxias pueden desplazar la materia y desdibujar la señal de la materia oscura—. A pesar de estas correcciones, la tensión S8 persiste, lo que sugiere que el resultado es una característica del universo y no un error en la medición.

Más allá del Modelo Estándar: wCDM y nueva física

Además del modelo ΛCDM estándar, donde la energía oscura se trata como una "constante cosmológica" invariable, los investigadores también modelaron sus datos utilizando el marco wCDM. En esta versión del universo, se permite que el parámetro de la ecuación de estado de la energía oscura (w) varíe. Los resultados del 3x2pt del Y6 arrojaron un valor de w de -1,12, que es consistente con la constante cosmológica (w = -1), pero deja margen para una energía oscura "dinámica" que cambie con el tiempo. Cuando los datos 3x2pt del DES se combinaron con otros conjuntos de datos de bajo desplazamiento al rojo —incluyendo supernovas (SNe Ia), oscilaciones acústicas de bariones (BAO) y cúmulos de galaxias— la tensión con el CMB aumentó a 2,8 sigmas en el modelo ΛCDM.

¿Qué podría explicar esta brecha? Los cosmólogos están considerando ahora varios escenarios de "nueva física". Una posibilidad es que la energía oscura no sea una fuerza constante sino que evolucione, alterando la tasa de expansión cósmica de una manera que inhiba el crecimiento de las estructuras. Otra hipótesis involucra la masa de los neutrinos; el ajuste conjunto del Y6 del DES con los datos del CMB y BAO produjo las restricciones más estrictas hasta la fecha sobre la suma de las masas de los neutrinos, situándolas en menos de 0,14 eV. Si los neutrinos u otras partículas "oscuras" se comportan de forma diferente a lo esperado, podrían ejercer una presión sutil que impida que la materia se agrupe tan estrechamente como predecirían los datos de Planck.

El legado del Dark Energy Survey

La publicación de los resultados del Año 6 marca un hito para la colaboración del Dark Energy Survey. Al combinar todas las sondas del DES —lente débil, agrupamiento, supernovas y cúmulos— el equipo ha creado un mapa definitivo del universo de bajo desplazamiento al rojo. Este conjunto de datos servirá como el estándar de oro durante los próximos años, proporcionando una línea base para la próxima generación de observatorios. El alto impacto de este trabajo se refleja en su precisión; el ajuste conjunto del 3x2pt del Y6 con el CMB y otros conjuntos de datos produjo los parámetros cosmológicos más restringidos hasta la fecha: una densidad de materia de 0,302 y una constante de Hubble (h) de 0,683.

De cara al futuro, es probable que la "crisis de la cosmología" se resuelva mediante estudios aún más amplios. El Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Observatorio Vera C. Rubin y la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea están preparados para observar miles de millones de galaxias, empequeñeciendo los 150 millones analizados por el DES. Estos próximos proyectos confirmarán si la tensión S8 es una señal de una nueva física revolucionaria o si se trató de una fluctuación estadística. Por ahora, los resultados del Año 6 del DES se erigen como un testimonio del ingenio humano, proporcionando una visión más clara —aunque más misteriosa— de las fuerzas oscuras que dan forma a nuestra realidad. Como concluyen J. Fang, Y. Zhang y sus colegas, el universo sigue guardando secretos que desafían nuestras suposiciones más fundamentales sobre la naturaleza del espacio y el tiempo.