Tras la pista de una fuerza misteriosa en el espacio: los científicos han arrojado nueva luz sobre la energía oscura

Usando telescopios espaciales y conjuntos de datos avanzados, los investigadores han concluido que la energía oscura, que representa aproximadamente el 76% de la densidad de energía del universo, se distribuye uniformemente por todo el espacio y permanece constante a lo largo del tiempo.

Un estudio preliminar de la energía oscura utilizando eROSITA indica que se dispersa uniformemente en el espacio y el tiempo.

La observación de Edwin Hubble de galaxias distantes en la década de 1920 llevó a la conclusión innovadora de que nuestro universo se está expandiendo. Sin embargo, no fue hasta 1998 que los científicos que estudiaban las supernovas de Tipo Ia hicieron un descubrimiento sorprendente. Y descubrieron que no solo el universo estaba creciendo, sino que su expansión se estaba acelerando.

“Para explicar esta aceleración, necesitamos una fuente”, dice Joe Mohr, astrofísico de LMU. “Nos referimos a esta fuente como ‘energía oscura’, que proporciona una especie de ‘antigravedad’ para acelerar la expansión cósmica”.

Científicamente, la existencia de energía oscura y aceleración cósmica es una sorpresa, y esto indica que nuestra comprensión actual de la física es incompleta o incorrecta. La importancia de la expansión exponencial se enfatizó en 2011 cuando sus descubridores recibieron el Premio Nobel de Física.

“Mientras tanto, la naturaleza de la energía oscura se ha convertido en el próximo problema ganador del Premio Nobel”, dice Mohr.

I-Non Chiu de la Universidad Nacional Cheng Kung en Taiwán, en colaboración con los astrofísicos de LMU Matthias Klein, Sebastien Bouquet y Joe Mohr, ha publicado el primer estudio de energía oscura utilizando el telescopio de rayos X eROSITA, que se enfoca en los cúmulos de galaxias.

La antigravedad que causaría la energía oscura aleja los objetos entre sí y detiene la formación de grandes cuerpos cósmicos que de otro modo se formarían debido a la fuerza de atracción de la gravedad. Como tal, la energía oscura influye en dónde y cómo se forman los objetos más grandes del universo: cúmulos de galaxias con masas totales que oscilan entre 1013 y 1015 masas solares.

“Podemos aprender mucho sobre la naturaleza de la energía oscura contando la cantidad de cúmulos de galaxias que se forman en el universo en función del tiempo, o en el universo observable en función del corrimiento al rojo”, explica Klein.

Sin embargo, los cúmulos de galaxias son extremadamente raros y difíciles de encontrar, lo que requiere escanear una gran parte del cielo con los telescopios más sensibles del mundo. Con ese fin, el telescopio espacial de rayos X eROSITA, un proyecto dirigido por el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) en Munich, se lanzó en 2019 para escanear el cielo en busca de cúmulos de galaxias.

En el Sondeo de profundidad tropical final de eROSITA (eFEDS), un pequeño sondeo diseñado para verificar el rendimiento del Encuesta posterior de todo el cielo, se encontraron alrededor de 500 cúmulos de galaxias. Esto representa una de las muestras más grandes de cúmulos de galaxias de baja masa hasta la fecha y abarca los últimos 10 mil millones de años de evolución cósmica.

Para su estudio, Chiu y sus colegas utilizaron un conjunto de datos adicional además de los datos eFEDS: datos fotométricos del programa estratégico Hyper Suprime-Cam de Subaru, que está dirigido por las comunidades astronómicas de Japón y Taiwán, y[{” attribute=””>Princeton University.

The former LMU doctoral researcher I-Non Chiu and his LMU colleagues used this data to characterize the galaxy clusters in eFEDS and measure their masses using the process of weak gravitational lensing. The combination of the two datasets enabled the first cosmological study using galaxy clusters detected by eROSITA.

Their results show that, through comparison between the data and theoretical predictions, dark energy makes up around 76% of the total energy density in the universe. Moreover, the calculations indicated that the energy density of dark energy appears to be uniform in space and constant in time.

“Our results also agree well with other independent approaches, such as previous galaxy cluster studies as well as those using weak gravitational lensing and the cosmic microwave background,” says Bocquet. So far, all pieces of observational evidence, including the latest results from eFEDS, suggest that dark energy can be described by a simple constant, usually referred to as the ‘cosmological constant.’

“Although the current errors on the dark energy constraints are still larger than we would wish, this research employs a sample from eFEDS that after all occupies an area less than 1% of the full sky,” says Mohr. This first analysis has thus laid a solid foundation for future studies of the full-sky eROSITA sample as well as other cluster samples.

Reference: “Cosmological constraints from galaxy clusters and groups in the eROSITA final equatorial depth survey” by I-Non Chiu, Matthias Klein, Joseph Mohr and Sebastian Bocquet, 21 April 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stad957