Medición de energía oscura arroja nueva luz sobre la expansión del Universo

A través de observaciones de los cúmulos masivos de galaxias, científicos han hecho la mayoría de las mediciones precisas hasta la fecha de los efectos de la energía oscura y gravedad a escalas cosmológicas. Este trabajo es un paso importante hacia la comprensión de por qué la expansión del Universo se está acelerando. Algo está impulsando a nuestro universo a alejarse, cada vez más rápido, con cada momento que pasa, y el trabajo futuro usando métodos similares debe determinar si ese algo es la energía oscura o un cambio en la forma de trabajar de la gravedad a escalas cosmológicas.

En esta imagen óptica y de rayos X del cúmulo de galaxias
Abell 2219, el brillo de rayos X de Chandra (en rosado) se
superpone sobre una imagen óptica de la distribución de
la luz de las estrellas y galaxias del cúmulo.

El análisis, contenido en cuatro artículos publicados este mes en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, fue dirigido por un equipo en el Instituto Kavli para Astrofísica de Partículas y Cosmología (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, KIPAC), ubicado conjuntamente en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y la Universidad Stanford.

Los cúmulos de galaxias, los objetos más grande unidos gravitacionalmente en el Universo, comenzaron a formarse alrededor de 10 mil millones de años atrás. Debido a que toma mucho tiempo para que la luz de los más lejanos confines del Universo llegue a la Tierra, los cúmulos más distantes se ven como cuando eran mucho más jóvenes, mientras que los más cercanos se parecen más a sus edades reales. Al observar cúmulos cercanos y lejanos, los investigadores pudieron estudiar la evolución de estos y deducir cómo los cambios en el Universo durante miles de millones de años ayudaron a dar forma a su crecimiento. Los resultados ofrecen una mejor comprensión de las fuerzas que formaron el universo que vemos hoy.

"A medida que el espacio se expande más y más rápido, se hace más difícil que la gravedad tire de la materia y forme estructuras como los cúmulos de galaxias", dijo el autor principal Adán Mantz, investigador del Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA y ex-estudiante de posgrado en KIPAC. Mediante la observación de tanto cercanos como lejanos, los investigadores descubrieron que el universo actual contiene menos grupos de lo que cabría esperar si la expansión del Universo no se estaba acelerando.

"Al mismo tiempo", dijo Mantz, "lo que está causando la aceleración deja una huella distintiva en la estructura cósmica resultante". Buscando igualar esta huella digital, los investigadores compararon sus observaciones de los cúmulos de galaxias con distintos modelos de energía oscura, una teórica forma de energía que impregna todo el espacio y conduce la expansión acelerada del Universo. Aunque la idea general de la energía oscura es relativamente bien aceptada, hay una variedad de modelos que intentan explicar qué es y cómo funciona, y su comprensión detallada sigue siendo difícil de alcanzar.

Mediante la combinación de sus observaciones de cúmulos de galaxias con otros datos cosmológicos, los científicos hicieron las mediciones de la energía oscura más precisas hasta la fecha. Las nuevas medidas son coherentes con el modelo más sencillo, en el que la energía oscura es una "constante cosmológica", un campo de energía que es uniforme en todo el espacio y el tiempo. La idea de una constante cosmológica fue propuesta por Albert Einstein en 1917, pero pronto cayó en desgracia. En los últimos años, la idea se ha popularizado de nuevo como una manera de explicar la expansión acelerada del Universo.

Las observaciones también pesan contra los modelos de "gravedad modificada", en el que la gravedad es más fuerte o más débil que lo predicho por la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Los nuevos resultados muestran que el crecimiento de la estructura cósmica es consistente con las predicciones de la Relatividad General, apoyando la idea de que la energía oscura es responsable de la aceleración cósmica.

"La medición de las historias de expansión cósmica y crecimiento de la estructura nos permite comenzar a distinguir entre la energía oscura y los escenarios de la gravedad modificada", dijo el co-autor David Rapetti de KIPAC, que está liderando los esfuerzos para limitar los modelos de gravedad modificada.

Desarrollado a partir del trabajo anterior que examinó solamente pequeños reductos de cielo, el nuevo estudio usó datos del satélite ROSAT y del observatorio Chandra de la NASA, los cuales registran los rayos X emitidos por el plasma caliente de varios millones de grados que llena los cúmulos de galaxias.

"Al buscar en todo el cielo por esta emisión de rayos X, hemos identificado los cúmulos más raros y masivos, que proporcionan la más limpia y fuerte señal cosmológica", dijo Harald Ebeling del Instituto para Astronomía de la Universidad de Hawai, coautor en los estudios. Además de su gran conjunto de datos, la investigación incorpora los avances de los modelos que hacen que los resultados sean más robustos.

Durante la última década, las observaciones de supernovas, el fondo cósmico de microondas y las galaxias, así como las observaciones en rayos X de los cúmulos más tempranos, han hecho referencia a una expansión acelerada. La detección independiente de los efectos de la aceleración en el crecimiento de cúmulos proporciona una verificación importante de su coherencia.

"El conjunto de observaciones cosmológicas investiga diferentes sistemas físicos, por lo que la concordancia entre ellos es muy alentador", dijo el co-autor Steven W. Allen, profesor asociado de física en KIPAC. "La combinación de observaciones complementarias y de alta calidad ofrece la mejor oportunidad para comprender la aceleración cósmica".

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