Los astrofísicos han realizado un nuevo y potente análisis que constituye la medida más precisa hasta ahora de la composición y evolución del universo

Con este análisis, denominado Pantheon+, los cosmólogos se encuentran en una encrucijada. Pantheon+ concluye de forma convincente que el cosmos se compone de aproximadamente dos tercios de energía oscura y un tercio de materia -sobre todo en forma de materia oscura- y que se está expandiendo a un ritmo acelerado durante los últimos miles de millones de años.

Sin embargo, Pantheon+ también consolida un importante desacuerdo sobre el ritmo de esa expansión que aún no se ha resuelto. Al situar las teorías cosmológicas modernas predominantes, conocidas como Modelo Estándar de Cosmología, sobre una base estadística y de pruebas aún más firme, Pantheon+ cierra aún más la puerta a marcos alternativos que den cuenta de la energía y la materia oscuras.

Ambas son los pilares del Modelo Estándar de la Cosmología, pero aún no se han detectado directamente y son uno de los mayores misterios del modelo. Gracias a los resultados de Pantheon+, los investigadores pueden ahora realizar pruebas de observación más precisas y afinar las explicaciones del cosmos ostensible.

«Con estos resultados de Pantheon+, somos capaces de poner las restricciones más precisas sobre la dinámica y la historia del universo hasta la fecha», afirma Dillon Brout, becario Einstein del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian.

«Hemos peinado los datos y ahora podemos decir con más confianza que nunca cómo ha evolucionado el universo a lo largo de los eones y que las mejores teorías actuales sobre la energía oscura y la materia oscura se mantienen firmes».

El 66,2 por ciento del universo se manifiesta como energía oscura, siendo el 33,8 por ciento restante una combinación de materia oscura y materia

Brout es el autor principal de una serie de artículos que describen el nuevo análisis de Pantheon+, publicados conjuntamente en un número especial de The Astrophysical Journal. Pantheon+ se basa en el mayor conjunto de datos de este tipo, que comprende más de 1.500 explosiones estelares llamadas supernovas de tipo Ia. Estas brillantes explosiones se producen cuando las estrellas enanas blancas -restos de estrellas como nuestro Sol- acumulan demasiada masa y sufren una reacción termonuclear fuera de control.

Dado que las supernovas de tipo Ia eclipsan galaxias enteras, las detonaciones estelares pueden vislumbrarse a distancias superiores a los 10.000 millones de años luz, es decir, a lo largo de unas tres cuartas partes de la edad total del universo.

Dado que las supernovas arden con brillos intrínsecos casi uniformes, los científicos pueden utilizar el brillo aparente de las explosiones, que disminuye con la distancia, junto con las mediciones del desplazamiento al rojo como marcadores del tiempo y el espacio. Esta información, a su vez, revela la velocidad de expansión del universo durante diferentes épocas, lo que se utiliza para probar las teorías de los componentes fundamentales del universo.

El gran descubrimiento en 1998 del crecimiento acelerado del universo fue gracias al estudio de las supernovas de tipo Ia de esta manera. Los científicos atribuyen la expansión a una energía invisible, denominada por ello energía oscura, inherente al propio tejido del universo.

Décadas posteriores de trabajo han seguido recopilando conjuntos de datos cada vez más amplios, que han revelado supernovas en un rango de espacio y tiempo aún mayor, y Pantheon+ los ha reunido ahora en el análisis más sólido desde el punto de vista estadístico hasta la fecha.

«En muchos sentidos, este último análisis de Pantheon+ es la culminación de más de dos décadas de esfuerzos diligentes por parte de observadores y teóricos de todo el mundo para descifrar la esencia del cosmos», afirma Adam Riess, uno de los ganadores del Premio Nobel de Física de 2011 por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo y el Bloomberg Distinguished Professor de la Universidad Johns Hopkins (JHU) y el Space Telescope Science Institute de Baltimore (Maryland). Riess también es un ex alumno de la Universidad de Harvard, con un doctorado en astrofísica.

La carrera de Brout en el campo de la cosmología se remonta a sus años de estudiante en la JHU, donde recibió clases y asesoramiento de Riess. Allí Brout trabajó con el entonces estudiante de doctorado y asesor de Riess, Dan Scolnic, que ahora es profesor adjunto de física en la Universidad de Duke y otro coautor de la nueva serie de artículos.

Hace varios años, Scolnic desarrolló el análisis original de Pantheon de aproximadamente 1.000 supernovas. Ahora, Brout y Scolnic y su nuevo equipo de Pantheon+ han añadido alrededor de un 50% más de puntos de datos de supernovas en Pantheon+, junto con mejoras en las técnicas de análisis y abordando posibles fuentes de error, lo que en última instancia ha producido el doble de precisión del Pantheon original.

«Este salto en la calidad del conjunto de datos y en nuestra comprensión de la física que lo sustenta no habría sido posible sin un equipo estelar de estudiantes y colaboradores que han trabajado con diligencia para mejorar cada faceta del análisis», afirma Brout. Tomando los datos en su conjunto, el nuevo análisis sostiene que el 66,2 por ciento del universo se manifiesta como energía oscura, siendo el 33,8 por ciento restante una combinación de materia oscura y materia.

Para llegar a una comprensión aún más completa de los componentes constitutivos del universo en diferentes épocas, Brout y sus colegas combinaron Pantheon+ con otras mediciones independientes y complementarias de la estructura a gran escala del universo y con mediciones de la luz más temprana del universo, el fondo cósmico de microondas.

Otro resultado clave de Pantheon+ está relacionado con uno de los principales objetivos de la cosmología moderna: determinar la tasa de expansión actual del universo, conocida como la constante de Hubble. La combinación de la muestra de Pantheon+ con los datos de la colaboración SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), dirigida por Riess, da como resultado la medición local más estricta de la tasa de expansión actual del universo.

Pantheon+ y SH0ES encuentran conjuntamente una constante de Hubble de 73,4 kilómetros por segundo por megaparsec con sólo un 1,3% de incertidumbre. Dicho de otro modo, por cada megaparsec, o 3,26 millones de años luz, el análisis estima que en el universo cercano el propio espacio se expande a más de 160.000 kilómetros por hora.

Sin embargo, las observaciones de una época completamente diferente de la historia del universo predicen una historia distinta. Las mediciones de la luz más temprana del universo, el fondo cósmico de microondas, cuando se combinan con el actual Modelo Estándar de Cosmología, fijan sistemáticamente la constante de Hubble a un ritmo significativamente menor que las observaciones realizadas a través de supernovas de tipo Ia y otros marcadores astrofísicos. Esta considerable discrepancia entre las dos metodologías se ha denominado tensión de Hubble.

Los nuevos conjuntos de datos de Pantheon+ y SH0ES aumentan esta tensión de Hubble. De hecho, la tensión ha superado el importante umbral de 5 sigmas (aproximadamente una probabilidad entre un millón de que se produzca debido al azar) que los físicos utilizan para distinguir entre posibles casualidades estadísticas y algo que debe entenderse en consecuencia.

Alcanzar este nuevo nivel estadístico pone de manifiesto el reto que supone para los teóricos y astrofísicos intentar explicar la discrepancia de la constante de Hubble. «Pensábamos que sería posible encontrar pistas para una solución novedosa a estos problemas en nuestro conjunto de datos, pero en lugar de ello estamos descubriendo que nuestros datos descartan muchas de estas opciones y que las profundas discrepancias siguen siendo tan obstinadas como siempre», dice Brout.

Los resultados de Pantheon+ podrían ayudar a señalar dónde se encuentra la solución a la tensión del Hubble. «Muchas teorías recientes han comenzado a apuntar a una nueva física exótica en el universo muy temprano, sin embargo, estas teorías no verificadas deben resistir el proceso científico y la tensión de Hubble sigue siendo un gran desafío», dice Brout.

En general, Pantheon+ ofrece a los científicos una visión completa de gran parte de la historia cósmica. Las supernovas más antiguas y distantes del conjunto de datos brillan desde 10.700 millones de años luz, es decir, desde que el universo tenía aproximadamente una cuarta parte de su edad actual.

En esa época anterior, la materia oscura y su gravedad asociada mantenían el ritmo de expansión del universo bajo control. Este estado de cosas cambió drásticamente en los siguientes miles de millones de años cuando la influencia de la energía oscura superó a la de la materia oscura. Desde entonces, la energía oscura ha alejado cada vez más el contenido del cosmos entre sí, y lo ha hecho a un ritmo cada vez mayor.

«Con este conjunto de datos de Pantheon+, obtenemos una visión precisa del universo desde el momento en que estaba dominado por la materia oscura hasta el momento en que el universo pasó a estar dominado por la energía oscura», afirma Brout. «Este conjunto de datos es una oportunidad única para ver cómo la energía oscura se enciende e impulsa la evolución del cosmos en las escalas más grandes hasta el momento actual».

Es de esperar que el estudio de este cambio ahora, con pruebas estadísticas aún más sólidas, conduzca a nuevos conocimientos sobre la enigmática naturaleza de la energía oscura. «Pantheon+ nos está dando nuestra mejor oportunidad hasta la fecha de limitar la energía oscura, sus orígenes y su evolución», dice Brout.