Nobel de Física 2011: La energía oscura

El premio Nobel de Física del año 2011 ha sido concedido a los investigadores Saul Perlmutter (Lawrence Berkeley National Laboratory y University of California Berkeley), Brian Schmidt (Australian National University) y Adam Riess (John Hopkins University y Space Telescope Science Institute) por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo.  Para llegar a esta importante y revolucionaria conclusión, los equipos dirigidos por los galardonados con el premio Nobel utilizaron supernovas lejanas de tipo Ia. Las supernovas son explosiones de estrellas que al llegar a sus  últimas etapas de evolución se convierten en inestables. Son sucesos extraordinariamente violentos y que producen un brillo gigantesco, por lo que es posible observarlos a enormes distancias.

Un tipo especial de supernova, conocido como Ia, tiene una característica que lo hace especialmente útil para el estudio del cosmos. Se ha demostrado que todas las supernovas de este tipo tienen el mismo brillo intrínseco. Son lo que en la jerga cosmológica se conoce como “candelas estándar”. Esta característica es enormemente útil porque al ser conocido el brillo intrínseco, este se puede comparar con el brillo observado y de esta manera determinar la distancia a la que está la supernova.  Por otra parte, para cada una de estas supernovas se puede observar una propiedad conocida como “desplazamiento al rojo”. La luz emitida por fuentes lejanas se oberva en la Tierra más roja de lo que era cuando fue emitida. Esta propiedad está directamente relacionada con la expansión del universo. La razón es que la expansión del espacio tira de la luz durante su recorrido haciendo que su longitud de onda aumente o, lo que es lo mismo, que se haga más roja. La relación entre la distancia y el corrimiento al rojo permite determinar la historia de la expansión del universo, puesto que es una medida directa de cómo se expande para diferentes distancias, y por tanto, para diferentes tiempos. Las observaciones de los equipos de Perlmutter, Schmidt y Riess para la relación entre distancias y corrimientos al rojo de las supernovas solamente podían explicarse si el universo se expande de manera acelerada, lo que les ha valido la concesión del premio Nobel.

Este descubrimiento supuso una auténtica revolución.  La razón  es  que  implica  que alrededor del 75 % del contenido de materia-energía del universo se debe a una entidad de naturaleza desconocida, que ha sido bautizada con el nombre de energía oscura. La energía oscura se caracteriza por provocar una fuerza repulsiva que es la responsable de la expansión acelerada del universo descubierta por los galardonados con el premio Nobel. No debe confundirse con la materia oscura, también de naturaleza desconocida y que supone alrededor el 20 % del contenido del universo. Es decir, tras el descubrimiento de Perlmutter, Schmidt y Riess nos encontramos con que la física conocida describe tan solo aproximadamente un 5 % del contenido del universo. El 95 % restante viene de entes exóticos, que no se encuentran en la Tierra y que nunca han sido producidos en laboratorio, cuya naturaleza es completamente desconocida. Existe otra posibilidad, que las teorías actuales de la física sean incompletas y no constituyan una buena descripción del universo para distancias gigantescas o tiempos muy remotos. Sea cual sea la naturaleza del cosmos oscuro, su comprensión será un gran avance en el conocimiento científico.

Esta situación, que se planteó a finales del siglo XX, inició un vigoroso programa de investigación en todo el mundo. El objetivo principal es descubrir la naturaleza del lado oscuro del universo, es decir, de la materia oscura y de la energía oscura. Este esfuerzo internacional tiene también participación española.

Desde el año 2005, un grupo de investigadores de la División de Astrofísica de Partículas del CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), organismo público de investigación adscrito al Ministerio de Ciencia e Innovación, trabaja en el proyecto DES (Dark Energy Survey). Este es un gran proyecto internacional cuyo objetivo central es el avance en el conocimiento de la naturaleza de la energía oscura. Ha sido diseñado especialmente para atacar este problema, con el objetivo de utilizar cuatro métodos diferentes en el estudio de la energía oscura. Uno de ellos es el utilizado por los galardonados con el premio Nobel, con la diferencia de que el número de supernovas será cien veces mayor. Además, DES medirá el número de cúmulos de galaxias en función del tiempo, las oscilaciones acústicas bariónicas en la distribución de galaxias y la distorsión en la forma de las galaxias por el efecto lente gravitacional débil y su relación con la distribución de galaxias. Todas estas observaciones se realizarán en un intervalo de distancias nunca alcanzado hasta ahora.

Para realizar estas medidas, de gran dificultad, la colaboración internacional DES ha construido una cámara de 570 Megapíxeles equipada con detectores CCD de última generación, muy sensibles a la parte roja del espectro para poder alcanzar altos corrimientos al rojo y grandes distancias. Esta cámara está en proceso de instalación en el telescopio Blanco, situado en el observatorio de Cerro Tololo en Chile. En este proyecto participan 25 instituciones de los Estados Unidos, Brasil, Reino Unido, Alemania y España.  Las instituciones españolas participantes, además del CIEMAT, ya citado, son el IFAE (Institut de Fisica d´Altes Energies)  y el ICE (Institut de Ciències de l´Espai), ambos en Barcelona. La contribución del CIEMAT al proyecto consiste en el diseño, producción, validación y mantenimiento del sistema electrónico de lectura de los detectores CCD (tarea compartida con el IFAE), el desarrollo de software de control de calidad para los datos y el estudio de la selección de galaxias para minimizar la contaminación estelar. Desde el punto de vista de medidas cosmológicas, el interés principal es el estudio de la distribución de galaxias en el universo y la medida de las oscilaciones acústicas de los bariones.

A raíz de la participación en DES y la colaboración surgida entre las instituciones españolas, desde el año 2008 el CIEMAT participa en el PAU Survey (Physics of the Accelerating Universe). Esta es una colaboración entre el IFAE, el ICE, la UAM (Universidad Autónoma de Madrid), el PIC (Puerto de Información Científica) y el CIEMAT. La idea es hacer un cartografiado novedoso, que utilizando filtros de banda estrecha para obtener imágenes del cielo, permita una determinación muy precisa del corrimiento al rojo para todos los objetos presentes en el campo de visión. Esta determinación precisa permite el uso de nuevas técnicas para el estudio de la energía oscura, complementarias a las utilizadas por DES. Además, su sensibilidad a la energía oscura es más alta, por lo que pueden dar resultados competitivos con cartografiados del cielo más pequeños. En concreto PAU pretende estudiar la energía oscura por medio del efecto de las velocidades peculiares y de magnificación de brillo por lentes gravitacionales débiles sobre la distribución espacial de las galaxias.

Para conseguir alcanzar estos objetivos, la colaboración PAU está construyendo una cámara de 151 Megapíxeles equipada con detectores CCD de alta sensibilidad en todo el espectro, desarrollados especialmente por la compañía japonesa Hamamatsu Photonics. Esta cámara se instalará en el telescopio William Herschel en el observatorio del Roque de los Muchachos, en la isla de La Palma, a finales de 2012. La contribución del CIEMAT consiste en el diseño y construcción del sistema electrónico de lectura de los detectores CCD (en colaboración con el IFAE), la validación completa de los filtros y el desarrollo del software de control de calidad de los datos. Desde el punto de vista de la ciencia colaborará en los dos temas principales de estudio de la energía oscura.

Desvelar la naturaleza de la energía oscura es uno de los interrogantes más importantes y con más repercusión potencial en la física de la actualidad. Además de DES y PAU, hay otros proyectos en funcionamiento y muchos más arrancarán en el futuro cercano con objetivos similares. Algunos utilizarán las mismas técnicas y otros confiarán en técnicas diferentes. La próxima década será, por tanto, un periodo en el que se tendrán datos muy numerosos y de gran calidad, que pueden ser la fuente de nuevos y profundos descubrimientos sobre la estructura y naturaleza del universo.