Preguntas y respuestas de la Fundación Kavli: ¿Un nuevo mapa de la materia oscura?

La visión predominante del universo acaba de pasar una nueva prueba rigurosa, pero los misterios de la materia oscura y la energía oscura permanecen frustrantemente sin resolver.

En agosto se dio a conocer un NUEVO MAPA CÓSMICO que trazó el lugar donde la misteriosa sustancia llamada `` materia oscura '' está agrupada en todo el universo. Para inmenso alivio y frustración, el mapa es justo lo que los científicos esperaban. La distribución de la materia oscura está de acuerdo con nuestra comprensión actual de un universo nacido con ciertas propiedades en un Big Bang, hace 13.8 mil millones de años.

Pero para todo el poder confirmatorio del mapa, todavía nos dice poco sobre la verdadera identidad de la materia oscura, que actúa como un andamio invisible para las galaxias y la estructura cósmica. Tampoco explica un factor aún mayor que da forma al cosmos, conocido como `` energía oscura '', una fuerza enigmática que aparentemente separa el universo a velocidades cada vez mayores. Sin embargo, una pequeña discrepancia entre los nuevos hallazgos y las observaciones previas del universo temprano podría abrir la puerta a una nueva física.

Para discutir estos temas, la Fundación Kavli recurrió a tres científicos involucrados en la creación de este nuevo mapa cósmico, compilado por el Dark Energy Survey.

Los participantes fueron:

  • SCOTT DODELSON : es cosmólogo y jefe del Departamento de Física de la Universidad Carnegie Mellon. Es uno de los principales científicos detrás del nuevo mapa de estructura cósmica de la Encuesta de Energía Oscura, en el que trabajó en el Laboratorio Nacional de Aceleración de Fermi y como profesor en el Instituto Kavli de Física Cosmológica de la Universidad de Chicago.
  • RISA WECHSLER : es profesora asociada de física en la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC, así como miembro del Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas. Fundador de Dark Energy Survey, Wechsler también está involucrado en dos proyectos de próxima generación que profundizarán aún más en el universo oscuro.
  • GEORGE EFSTATHIOU : es profesor de astrofísica y ex director del Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge. Junto con su trabajo en el Dark Energy Survey, Efstathiou es un líder del equipo científico de la nave espacial Planck de la Agencia Espacial Europea, que entre 2009 y 2013 creó un mapa detallado del universo primitivo.

La siguiente es una transcripción editada de su mesa redonda. Los participantes han tenido la oportunidad de modificar o editar sus comentarios.


Scott Dodelson se centra en la intersección de la cosmología y la astrofísica de partículas, donde las estructuras cósmicas más grandes finalmente se producen debido al comportamiento de las partículas más pequeñas de materia y materia oscura.
Scott Dodelson

LA FUNDACIÓN KAVLI: The Dark Energy Survey acaba de confirmar que la materia, tal como la conocemos, representa solo el cuatro por ciento del universo. Eso significa que el 96 por ciento es algo que no podemos ver ni tocar, y casi no tenemos idea de lo que realmente es. ¿Por qué estos nuevos hallazgos son realmente buenas noticias?

RISA WECHSLER: Parece muy extraño que los resultados sean buenas noticias, ¿verdad? Hace cuarenta años, nadie hubiera adivinado que aparentemente vivimos en un universo en el que la mayor parte del asunto es algo que no interactúa con nosotros, ¡y la mayor parte de la energía ni siquiera es materia! Todavía es súper alucinante.

Pero hemos seguido haciendo mediciones cada vez más precisas del universo, y ahí es donde entran los resultados de la Encuesta de Energía Oscura. Son las mediciones más precisas de la densidad de la materia y de cómo está agrupada en el universo local. En el pasado, hemos medido la densidad de la materia en el universo joven y distante. Entonces, Dark Energy Survey realmente nos permite probar nuestra comprensión de la evolución del universo, que hemos formalizado como el Modelo Estándar de la Cosmología del Big Bang, de una manera totalmente nueva.

Aún así, es ciertamente posible que tengamos algo mal.


La ESA y la colaboración de Planck

Una receta cósmica

En las últimas décadas, los científicos se han decidido por un modelo de universo que en su mayoría es invisible y desconocido. Conocido como el Modelo Estándar de la Cosmología del Big Bang, estipula que la materia tal como la conocemos, que comprende personas, planetas y estrellas, es solo alrededor del 4 al 5 por ciento de la composición cósmica total. Alrededor del 26 por ciento del cosmos es materia oscura, que se cree que está hecha de partículas masivas que no emiten luz y solo interactúan débilmente con la materia normal. El resto es energía oscura, una fuerza que está acelerando la expansión del universo y constituye casi el 70 por ciento de la realidad. Todos estos ingredientes cósmicos se remontan al origen del universo en el Big Bang, hace aproximadamente 13.8 mil millones de años.


SCOTT DODELSON: estos datos, junto con mediciones precisas tomadas por otros proyectos, podrían comenzar a mostrar pequeños indicios de desacuerdo o tensión, como lo llamamos, con nuestra comprensión actual de cómo comenzó el universo y ahora se está expandiendo a velocidades cada vez mayores.

Como Risa acaba de decir, no estamos seguros de que nuestra forma de pensar actual sea correcta porque esencialmente requiere que inventemos cosas, es decir, materia oscura y energía oscura. Podría ser que realmente estamos a solo un mes de una revolución científica que alterará nuestra comprensión de la cosmología y no requiere estas cosas.

GEORGE EFSTATHIOU: Esas mediciones de la materia y la energía en el universo joven y distante al que Risa se refirió se obtuvieron hace solo unos años, cuando un programa diferente llamado Planck observó la radiación reliquia del Big Bang, que llamamos microondas cósmico. antecedentes. Aunque las mediciones de la nave espacial Planck respaldan el modelo del que estamos hablando, siempre es incómodo tener que postular cosas, como la materia oscura y la energía oscura, que no se han observado. Es por eso que la Encuesta de Energía Oscura es muy importante: puede probar estrictamente nuestro conocimiento sobre el nacimiento del universo comparándolo con la estructura real del universo moderno y joven.

TKF : La Encuesta de Energía Oscura comenzó hace cuatro años, así que has esperado mucho tiempo para que estos resultados lleguen. ¿Cuál fue tu reacción inicial?

DODELSON: Fue la experiencia más asombrosa de mi carrera científica. El 7 de julio de 2017, una fecha que siempre recordaré, tuvimos 50 personas que se unieron a una llamada de conferencia. Nadie sabía lo que iban a decir los datos porque estaban cegados, lo que protege contra sesgar accidentalmente los resultados para que sean algo que usted "quiere" que sean. Entonces, uno de los líderes del análisis de lentes, Michael Troxel, ejecutó una secuencia de comandos de computadora en los datos, lo desató y compartió su pantalla con todos los que estaban en la llamada. Todos pudimos ver nuestros resultados en comparación con los de Planck. Estaban en un acuerdo tan cercano, independientemente uno del otro. Todos jadeamos y luego aplaudimos.

WECHSLER: Yo también estaba en esa llamada de conferencia. Fue realmente emocionante. He estado trabajando en esta encuesta desde que escribimos la primera propuesta en 2004, por lo que me pareció una culminación.

La investigación de Risa Wechsler utiliza modelos informáticos y simulaciones numéricas para hacer una crónica de la evolución del universo desde el Big Bang hasta la actualidad.
Risa Wechsler

TKF: En 2013, Planck nos dio una imagen muy precisa del "bebé" del universo. Ahora tenemos una imagen muy precisa del universo en una época posterior. George, fuiste un líder en la misión de Planck. ¿Qué ves cuando miras estas dos instantáneas diferentes a tiempo?

EFSTATHIOU: La imagen del "bebé" es consistente con un universo hecho principalmente de materia oscura y energía oscura. También es consistente con la idea de que el universo experimentó una expansión exponencial en sus primeros momentos, conocido como inflación. Entonces, ¿cómo se extrapola la imagen del bebé al universo moderno y "adulto"? Como muestran los resultados de la nueva Encuesta de Energía Oscura, las imágenes son notablemente consistentes.

DODELSON: Todos estamos asombrados de que estas dos imágenes estén de acuerdo en la medida en que lo hacen. Aquí hay un ejemplo. Supongamos que compró acciones de Berkshire Hathaway en 1970. Digamos que entonces era de $ 10 por acción y hoy es de $ 250, 000 por acción. Si predijera en ese entonces que hoy sería $ 250, 000, más o menos $ 1, 000, la gente hubiera pensado que estaba loco. Pero básicamente, eso es lo que hemos hecho. Cuando el universo era muy joven, solo tenía 380, 000 años, también era muy "suave". La materia se distribuía de manera uniforme. Sin embargo, hoy, más de 13 mil millones de años después, la materia en el cosmos está muy, muy agrupada en galaxias, estrellas, planetas y otros objetos. Esto es lo que uno esperaría con la expansión cósmica, y con el Dark Energy Survey, hemos podido confirmar la predicción de esta desigualdad cósmica en un grado notable.

WECHSLER: Lo que realmente nos ayudó a hacer las mediciones precisas con Dark Energy Survey es que, por primera vez, estamos mirando un área mucho más grande, aproximadamente una trigésima parte, del cielo. Eso es tres o cuatro veces más grande que el mapa de materia oscura más grande que hayamos hecho antes. También podemos hacer que ese mapa tenga más de la mitad de la edad del universo, desde ahora hasta hace unos siete mil millones de años, al recoger la luz que brilla desde las galaxias distantes. Así que podemos contar esta historia en más de la mitad de la historia del universo, y se mantiene constante en todo momento.

Hay algunos pequeños desacuerdos con los resultados de Planck, pero no creo que debamos preocuparnos demasiado por ellos.

EFSTATHIOU: Hubiera sido muy interesante si los resultados hubieran aumentado significativamente la tensión con el modelo cosmológico estándar, que es la base para entender por qué, comenzando con el Big Bang, el universo está experimentando una expansión acelerada. Algunas encuestas anteriores habían sugerido que podría haber un problema, aunque pensé que estos resultados eran cuestionables. En mi opinión, uno debe confiar en los datos y no alarmarse si nuestras teorías no están de acuerdo con las observaciones. El universo es lo que es.

TKF: Sin embargo, una historia de Nature News caracterizó la visión de George sobre las discrepancias como worrisome.

EFSTATHIOU: Bueno, sí, ha habido algunos reclamos de tensión entre la aglomeración medida en el universo local y las observaciones de Planck del universo distante. Algunas otras observaciones han sugerido que el universo local de los últimos tiempos se está expandiendo a un ritmo más rápido de lo esperado por Planck.

Si pudiéramos decir de manera convincente que cualquiera de estos datos individuales plantea un problema real, entonces tendríamos que abandonar nuestro modelo estándar de cosmología. Necesitaríamos física nueva, y el tipo de física que necesitaríamos estaría en el territorio exótico, anulando décadas de leyes físicas que de otro modo serían compatibles. Entonces es un gran problema.

En el pasado, este tipo de tensiones han ido y venido. Cuando escribimos los documentos de Planck de 2013, los resultados estaban en tensión con la mayoría de la astrofísica. Luego, dos años después, algunas de estas tensiones habían desaparecido, y ahora en 2017, han resurgido. Entonces estas cosas van y vienen. Necesitamos establecer un umbral alto para nuestra ciencia antes de lanzarnos a explicaciones basadas en la nueva física.

George Efstathiou está interesado en la cosmología observacional y teórica, incluidos los estudios de estructura a gran escala, formación de galaxias y el fondo cósmico de microondas.
George Efstathiou

TKF: Casi suena como, si todavía no está roto, no lo arregles .

EFSTATHIOU: Necesitamos asegurarnos de que esté roto antes de arreglarlo.

WECHSLER: Estoy de acuerdo con George. Hay una barra muy alta para mostrarle que realmente comprende todas las fuentes potenciales de error antes de dar el gran salto de abandonar nuestra concepción actual y bien evidenciada sobre el universo. No creo que estemos allí todavía. Significa que deberíamos estar realmente entusiasmados con la continua Encuesta de Energía Oscura, así como con todas las otras encuestas y proyectos futuros.

TKF: De hecho, estos nuevos resultados se basan en mediciones de un año de un total de cinco años. ¿Qué podríamos esperar después de que cuatro años más de datos se hayan procesado?

WECHSLER: Con cuatro veces más datos, nuestro mapa de materia oscura será aún más preciso. También espero que haya mejoras en nuestros métodos de análisis. También habrá un montón de otras cosas nuevas que la Encuesta de Energía Oscura debería descubrir, incluidas nuevas galaxias enanas alrededor de nuestra galaxia, la Vía Láctea, que pensamos hace mucho tiempo que deben estar allí, pero no pudieron. encontrar. ¡Hay mucho más que esperar!

DODELSON: La mayor precisión de la que Risa acaba de hablar nos permitirá alcanzar el modelo estándar de cosmología con la mayor fuerza que nunca. Desaprobar el modelo actual revolucionará la forma en que pensamos sobre el universo, por lo que es lo más emocionante que puedo imaginar que suceda.

TKF: ¿Cómo están extendiendo los astrofísicos la búsqueda de materia oscura y energía oscura? Risa, comencemos contigo, porque estás muy involucrado en dos proyectos de "universo oscuro" de próxima generación.

WECHSLER: Con el instrumento espectroscópico de energía oscura, o DESI [pronunciado "DEZ-ee"], obtendremos lo que llamamos espectros u observaciones detalladas de la luz de aproximadamente 35 millones de galaxias y cuásares, que son galaxias que parecen extra brillante porque sus agujeros negros centrales están devorando activamente la materia. Eso es aproximadamente 10 veces más datos de espectros que los que hemos recopilado de todos los instrumentos, por lo que puede imaginar que será realmente transformador. Con DESI, podremos medir de forma independiente la tasa de expansión del universo y la rapidez con la que crece su estructura de materia y materia oscura, las cuales están influenciadas por la energía oscura. Luego, cuando compara esas medidas, obtiene una prueba precisa de la física que gobierna el universo. DESI comenzará en 2019 utilizando un telescopio en Arizona.

El otro nuevo instrumento importante en el que estoy trabajando es el Gran Telescopio de Encuesta Sinóptica, LSST. Hará observaciones al igual que el Dark Energy Survey, pero con una precisión sustancialmente mayor. De hecho, cubrirá aproximadamente cuatro veces más área, y los miles de millones de galaxias que verá serán mucho más profundos y más alejados. LSST será un nuevo observatorio, que se está construyendo en Chile en este momento, y está programado para comenzar alrededor de 2022.

DODELSON: Creo que ambos proyectos plantearán nuevas preguntas científicas. Ya lo hemos visto con el Dark Energy Survey. Las preguntas cambian con el tiempo y evolucionan, así que no estoy seguro de saber qué es lo más emocionante que aprenderemos de LSST o DESI.

EFSTATHIOU: Una de mis esperanzas para Planck era que el modelo estándar de cosmología se rompería y no lo hizo. ¿Pero no sería absolutamente genial para la cosmología y la física si esto sucediera? Entonces deberíamos desconectar y ver. Quizás tengamos suerte.

La cámara Dark Energy está montada en el telescopio Victor Blanco, fotografiado aquí con otros telescopios en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo en Chile.
Fermilab

TKF: Si tuvieras que apostar a qué son realmente la materia oscura y la energía oscura, ¿dónde pondrías tus fichas?

DODELSON: Estamos viviendo en una era de disonancia cognitiva. Existe toda esta evidencia cosmológica de la existencia de materia oscura, pero en los últimos 30 años, hemos realizado todos estos experimentos y no lo hemos encontrado. Mi apuesta es que estamos viendo todo mal. Alguien que tiene 8 años hoy va a venir y descubrir cómo dar sentido a todos los datos sin evocar nuevas sustancias misteriosas.

EFSTATHIOU: ¿Qué probabilidades tienes de eso, Scott?

DODELSON: Estoy apostando $ 2, 000 del dinero de George. [La risa]

EFSTATHIOU: No apostaría por ningún candidato específico para la materia oscura. Pero apuesto a que la energía oscura es la constante cosmológica, un factor de fantasía inventado por Einstein que describe la densidad de la energía en el vacío.

WECHSLER: Básicamente estoy con George en este caso. Creo que si Scott tiene razón, eso será maravilloso, pero eso definitivamente no es donde colocaría mi dinero.

Creo que es muy probable que dentro de 15 años, mediremos en ese momento que la energía oscura es causada por esta constante cosmológica. Podremos reducir las barras de error y descubrir que nuestro modelo actual todavía funciona.

En materia oscura, creo que está mucho menos claro. Durante mucho tiempo, el candidato más popular fue esta cosa llamada WIMP, o una partícula masiva que interactúa débilmente. Esa idea sigue siendo popular y totalmente posible, pero muchas de las partículas que podrían ser ese tipo de materia oscura ya están descartadas. El otro candidato realmente convincente es una partícula subatómica llamada axión. Las personas solo están llegando a un lugar donde pueden comenzar a buscar estas partículas que creemos que serán extremadamente difíciles de detectar. También es posible que la materia oscura nos sorprenda, que sea un nuevo tipo de partícula que aún no tenemos las técnicas para buscar.