Investigadores de Cambridge descubren una nueva forma de medir la energía oscura

Investigadores de la Universidad de Cambridge han descubierto una nueva forma de medir la energía oscura (la misteriosa fuerza que constituye más de dos tercios del universo y es responsable de su acelerada expansión) en nuestro patio trasero cósmico.

Los investigadores han descubierto que puede ser posible detectar y medir la energía oscura estudiando Andrómeda, nuestro vecino galáctico que se encuentra en una colisión en cámara lenta con el planeta Tierra. vía Láctea.

Desde que se identificó por primera vez a finales de la década de 1990, los científicos han utilizado galaxias muy distantes para estudiar la energía oscura, pero aún no la han detectado directamente. Sin embargo, los investigadores de Cambridge descubrieron que al estudiar cómo Andrómeda y la Vía Láctea se acercan entre sí dada su masa colectiva, podrían poner un límite superior al valor de la constante cosmológica, que es el modelo más simple de la energía oscura. El límite superior que encontraron es cinco veces mayor que el valor de la constante cosmológica que se puede detectar en el universo temprano.

Aunque la técnica aún está en desarrollo inicial, los investigadores dicen que puede ser posible detectar energía oscura estudiando nuestro vecindario cósmico. Los resultados se reportan en EL Cartas del diario de astrofísica.

Todo lo que podemos ver en nuestro mundo y en los cielos –desde pequeños insectos hasta enormes galaxias– constituye sólo el 5% del universo observable. El resto es oscuridad: los científicos creen que alrededor del 27% del universo está compuesto de materia oscura, que mantiene unidos los objetos, mientras que el 68% es energía oscura, que separa los objetos.

«La energía oscura es un nombre genérico para una familia de modelos que se podrían agregar a la teoría de la gravedad de Einstein», dijo el primer autor, el Dr. David Benisty, del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica. «La versión más simple de esto se conoce como constante cosmológica: una densidad de energía constante que aleja a las galaxias unas de otras».

Einstein añadió temporalmente la constante cosmológica a su teoría de la relatividad general. Desde los años 1930 hasta los años 1990, la constante cosmológica se fijó en cero, hasta que se descubrió que una fuerza desconocida –la energía oscura– estaba acelerando la expansión del universo. Sin embargo, existen al menos dos grandes problemas con la energía oscura: no sabemos exactamente qué es y no la hemos identificado directamente.

Desde que se identificó por primera vez, los astrónomos han desarrollado una variedad de métodos para detectar energía oscura, la mayoría de los cuales implican estudiar objetos del universo primitivo y medir qué tan rápido se alejan de nosotros. Descubrir los efectos de la energía oscura de hace miles de millones de años no es fácil: debido a que es una fuerza débil entre galaxias, la energía oscura es fácilmente superada por fuerzas mucho más fuertes dentro de las galaxias.

Sin embargo, hay una región del universo que es sorprendentemente sensible a la energía oscura: nuestro patio trasero cósmico. La galaxia de Andrómeda es la más cercana a nuestra Vía Láctea y las dos galaxias están en curso de colisión. A medida que se acerquen, las dos galaxias comenzarán a orbitarse entre sí, muy lentamente. Una sola órbita tardará 20 mil millones de años. Sin embargo, debido a las enormes fuerzas gravitacionales, mucho antes de que se complete una sola órbita, dentro de unos cinco mil millones de años, las dos galaxias comenzarán a fusionarse y a caer una en otra.

«Andrómeda es la única galaxia que no se nos escapa, por lo que al estudiar su masa y movimiento, podremos hacer algunas determinaciones sobre la constante cosmológica y la energía oscura», dijo Benisty, quien también es investigador asociado en Queen’s Colega.

Utilizando una serie de simulaciones basadas en las mejores estimaciones disponibles de la masa de ambas galaxias, Benisty y sus coautores (la profesora Anne Davis del DAMTP y el profesor Wyn Evans del Instituto de Astronomía) descubrieron que la energía oscura está influyendo en la forma en que que Andrómeda y la Tierra La Vía Láctea orbitan entre sí.

«La energía oscura afecta a cada par de galaxias: la gravedad quiere unir las galaxias, mientras que la energía oscura las separa», dijo Benisty. “En nuestro modelo, si cambiamos el valor de la constante cosmológica, podemos ver cómo esto cambia la órbita de las dos galaxias. Basándonos en su masa, podemos poner un límite superior a la constante cosmológica, que es aproximadamente cinco veces mayor que lo que podemos medir en el resto del universo”.

Los investigadores dicen que si bien la técnica podría resultar inmensamente valiosa, todavía no es una detección directa de energía oscura. Los datos del Telescopio James Webb (JWST) proporcionarán mediciones mucho más precisas de la masa y el movimiento de Andrómeda, lo que podría ayudar a reducir los límites superiores de la constante cosmológica.

Además, al estudiar otros pares de galaxias, podría ser posible perfeccionar aún más la técnica y determinar cómo afecta la energía oscura a nuestro universo. «La energía oscura es uno de los mayores enigmas de la cosmología», dijo Benisty. «Puede ser que sus efectos varíen dependiendo de la distancia y el tiempo, pero esperamos que esta técnica pueda ayudar a desentrañar el misterio».

Referencia: “Constraining Dark Energy from the Local Group Dynamics” por David Benisty, Anne-Christine Davis y N. Wyn Evans, 8 de agosto de 2023, Las cartas del diario de astrofísica.
DOI: 10.3847/2041-8213/ace90b