DESI ha realitzat el mapa més gran en 3D del nostre univers. La Terra està en el vèrtex central, i cada punt és una galàxia. DESI/ KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor, CC BY-SA

Bernard J.T. Jones, University of Groningen; Licia Verde, Universitat de Barcelona; Vicent J. Martínez, Universitat de València i Virginia L Trimble, University of California, Irvine

El gran físic rus i premi Nobel Lev Landau va comentar una vegada que “els cosmòlegs sovint cauen en l'error, però mai en el dubte”. En estudiar la història de l'univers en si, sempre hi ha la possibilitat que ho hàgem entès tot malament, però no deixem mai que això ens barre el pas de les nostres recerques.

Fa uns dies, un nou comunicat de premsa va anunciar les troballes revolucionàries de l'Instrument d'Espectroscòpia d'Energia Fosca (DESI) que hi ha instal·lat al Telescopi Mayall d'Arizona. Aquest amplíssim catàleg, que conté les posicions de 15 milions de galàxies, constitueix la cartografia tridimensional més completa de l'univers fins avui. Per fer-nos-en una idea, la llum de les galàxies més remotes enregistrades en el catàleg DESI es va emetre fa 11 mil milions d'anys, quan l'univers només tenia aproximadament un cinquè de l'edat actual.

Per fer-nos-en una idea, la llum de les galàxies més remotes enregistrades en el catàleg DESI es va emetre fa 11 mil milions d'anys, quan l'univers només tenia aproximadament un cinquè de l'edat actual.

Els investigadors del DESI han estudiat una característica en la distribució de galàxies que els astrònoms anomenen “oscil·lacions acústiques bariòniques ”. Comparant-ho amb les observacions de l'univers molt primerenc i les supernoves, han pogut proposar que l'energia fosca –la força misteriosa que impulsa l'expansió del nostre univers– no és constant al llarg de la història de l'univers.

Una visió optimista de la situació és que tard o d'hora es descobrirà la naturalesa de la matèria fosca i l'energia fosca. Els primers indicis dels resultats del DESI ofereixen almenys un bri d'esperança d'aconseguir-ho.
 

L'inventari còsmic: els diferents components de l'univers derivats de les observacions del satèl·lit Planck del CMB. Imatge de Jones, Martínez i Trimble, 'The Reinvention of Science', CC BY-SA

Ara bé, també pot ser que això no passe. Podem cercar i no avançar gens en la comprensió de la situació. Però si això sí que passa, hauríem de repensar no sols la nostra recerca, sinó també l'estudi de la cosmologia en si. Hauríem de trobar un model cosmològic totalment nou, que funcionés igual que el nostre actual però que també expliqués aquesta discrepància. No cal dir que seria un bon repte.

Per a moltes persones interessades en la ciència aquesta és una perspectiva emocionant i potencialment revolucionària. Ara bé, aquesta mena de reinvenció de la cosmologia, i de fet de tota la ciència, no és nova, com s'argumenta en el llibre de 2023 The Reinvention of Science.

La cerca de dos nombres

El 1970, Allan Sandage va redactar un estudi molt citat que apunta a dos nombres que ens acosten a les respostes sobre la naturalesa de l'expansió còsmica. El seu objectiu era mesurar-los i descobrir com canvien amb el temps còsmic. Aquests nombres són la constant de Hubble, H0, i el paràmetre de desacceleració, q0.

El primer d'aquests dos nombres ens diu com de ràpid s'expandeix l'univers. El segon és la signatura de la gravetat: com a força d'atracció, la gravetat hauria d'estar estirant en contra de l'expansió còsmica. Algunes dades han mostrat una desviació de la llei Hubble-Lemaître, de la qual el segon nombre de Sandage, q0, és una mesura.

No es va poder trobar cap desviació significativa de la línia recta de Hubble fins que el 1997 hi van fer avanços el Supernova Cosmology Project de Saul Perlmutter i l'equip de recerca High-Z SN liderat per Adam Riess i Brian Schmidt. L'objectiu d'aquests projectes era cercar i seguir supernoves que explotessen en galàxies molt distants.

Aquests projectes van trobar una clara desviació de la simple línia recta de la llei Hubble-Lematraître, però amb una diferència important: l'expansió de l'univers s'accelera, no es desaccelera. Perlmutter, Riess i Schmidt van atribuir aquesta desviació a la constant cosmològica d'Einstein, que es representa amb la lletra grega lambda, Λ, i que està relacionada amb el paràmetre de desacceleració.

El seu treball els valgué el Premi Nobel de Física de 2011.

Energia fosca: 70% de l'univers

Ben sorprenentment, aquesta matèria lambda, també coneguda com a energia fosca, és el component dominant de l'univers. Ha anat accelerant l'expansió de l'univers fins al punt en què s'ha superat la força de la gravetat i representa gairebé el 70% de la densitat total de l'univers.

En sabem poc o res, de la constant cosmològica Λ. De fet, ni tan sols sabem que siga una constant. Einstein va dir primer que hi havia un camp d'energia constant quan va crear el seu primer model cosmològic derivat de la relativitat general el 1917, però la seua solució no era ni expansiva ni contractiva. Era estàtica i immutable i, per tant, el camp havia de ser constant.

Construir models més sofisticats que contenien aquest camp constant va ser una tasca més fàcil: els van derivar el físic belga Georges Lemaître, amic d'Einstein. Els models de cosmologia estàndard avui es basen en el treball de Lemaître i es coneixen com a models de Matèria Fosca Freda Λ (ΛCDM).

Els mesuraments del DESI en si mateixos resulten completament coherents amb aquest model. Ara bé, combinant-los amb observacions de la radiació còsmica de fons i de supernoves, el model que més s'hi ajusta és un que implique una energia fosca que ha evolucionat al llarg del temps còsmic i que (potencialment) ja no serà dominant en el futur. Ras i curt, això significaria que la constant cosmològica no explica l'energia fosca.

El Big Crunch

El 1988, el premi Nobel de Física de 2019 P. J. E. Peebles  va redactar un treball amb Bharat Ratra sobre la possibilitat que hi haja una constant cosmològica que varia amb el temps. Quan van publicar aquest treball, no hi havia un consens clar sobre Λ.

És una proposta atractiva. En aquest cas, la fase actual d'expansió accelerada seria transitòria i acabaria en algun moment del futur. Altres fases de la història còsmica han tingut un començament i un final: la inflació, l'era dominada per la radiació, l'era dominada per la matèria, etc.

El domini actual de l'energia fosca pot, doncs, disminuir en el temps còsmic, cosa que significa que no seria una constant cosmològica. El nou paradigma implicaria que l'actual expansió de l'univers podria finalment revertir-se en un “Big Crunch ” (Gran Col·lapse).

Altres cosmòlegs són més cautelosos, entre els quals Carl Sagan, que va dir sàviament que “les afirmacions extraordinàries exigeixen proves extraordinàries”. Resulta crucial tenir múltiples línies de proves independents que assenyalen la mateixa conclusió. I encara no hi hem arribat.
Les respostes poden provenir d'un dels projectes actuals –no només del DESI, sinó també de Euclid i J-PAS– que tenen com a objectiu explorar la naturalesa de l'energia fosca per mitjà de la cartografia de galàxies a gran escala.

Mentre el funcionament del cosmos en si és obert al debat, hi ha una cosa ben segura: tenim a  l'horitzó un moment fascinant per a la cosmologia.

Bernard J.T. Jones, Emeritus Professor, University of Groningen; Licia Verde, Professor ICREA de Cosmologia en el ICCUB de la Universitat de Barcelona, Universitat de Barcelona; Vicent J. Martínez, Catedràtic d'Astronomia i Astrofísica de la Universitat de València, i  membre de l'Observatori Astronòmic de la mateixa institució, Universitat de València i Virginia L Trimble, Physics and Astronomy, University of California, Irvine

Aquest article es publicà originalment en The Conversation. Llegiu l'original.