Nuestro universo se está desarmando, con
las galaxias alejándose una de la otra más vertiginosamente con cada momento
que pasa. Los científicos han sabido sobre esta aceleración desde la década de
1990, pero su causa –bautizada como energía oscura — sigue siendo un misterio.
Ahora, la última medida de cuán rápido está creciendo el cosmos complica la
trama aún más: el universo parece estar hinchándose más rápidamente de lo que
debería, incluso después de tener en cuenta el efecto de la expansión acelerada
causada por dicha energía oscura.
Los científicos llegaron a esta
conclusión después de comparar su nueva medición de la tasa de expansión
cósmica, llamada la constante de Hubble, con predicciones de lo que la
constante de Hubble debe tener en cuenta según la evidencia de los inicios del
universo. El conflicto desconcertante — que fue insinuado en datos anteriores,
y confirmado en el nuevo cálculo, significa que una o ambas de las mediciones
son defectuosas, o que la energía oscura o algún otro aspecto de la naturaleza
actúan diferentemente de lo que se piensa.
“La conclusión es que al parecer el
universo se está expandiendo alrededor de un ocho por ciento más rápidamente de
lo que uno esperaría basado en cómo se veía en su juventud y cómo esperamos que
evolucione”, dice Alberto Domínguez y sus colegas basados en observaciones del telescopio espacial Hubble, en un documento
presentado en la Astrophysical Journal,.
Una arruga en la
energía oscura
Una de las posibilidades más
interesantes es que la energía oscura sea un fenómeno aún más extraño de lo que
sugiere la teoría principal. La mayoría de las observaciones apoyan la idea de
que la energía oscura se comporta como una "constante cosmológica",
un término que Albert Einstein insertó y luego retiró de sus ecuaciones de la
relatividad general. Este tipo de energía oscura surgiría del espacio vacío,
que, según la mecánica cuántica, no es vacío en absoluto, sino más bien está
lleno de pares de partículas y antipartículas "virtuales" que
constantemente aparecen y desaparecen. Estas partículas virtuales llevarían
energía, la cual a su vez puede ejercer una especie de gravedad negativa que
repele hacia afuera todo el contenido del universo.
La discrepancia con la constante de
Hubble, sin embargo, sugiere que energía oscura podría cambiar en el tiempo y
el espacio, provocando potencialmente una aceleración cada vez mayor del
cosmos, en lugar de ser una fuerza constante hacia afuera. Una teoría que
propone este tipo de energía oscura se llama quintaesencia, que postula que la
energía oscura resulta no del vacío del espacio, sino de un campo que impregna
el espacio-tiempo y que puede adquirir diferentes valores en diferentes puntos.
Una explicación alternativa para la
discrepancia, sin embargo, es que el universo contiene una partícula
fundamental adicional más allá de las que conocemos. En particular, una nueva
especie de neutrino, una partícula casi sin masa que viene en tres variedades
conocidas hasta ahora — y que podría explicar la divergencia de medidas en la
constante de Hubble–. Si existe un tipo adicional de neutrino, más de la
energía total del universo tomaría la forma de radiación, en lugar de materia.
(Puesto que los neutrinos no tienen casi masa, viajan a casi la velocidad de la
luz y por lo tanto cuentan como radiación en este cálculo). Mientras que, como
la materia se aglutina bajo gravedad, un mayor presupuesto de radiación habría
permitido al universo a expandirse más rápidamente de lo que lo habría hecho de
otra manera.
Estas ideas son solo dos de las posibles
implicaciones de las nuevas medidas. Otra opción, por ejemplo, es que el
universo no es plano, como se pensaba, sino ligeramente curvo. Los teóricos
siguen con entusiasmo todas estas y otras nociones, pero los científicos que
trabajan en los experimentos dicen que primero deben tratar de encontrar
defectos en sus mediciones que puedan explicar la divergencia. “Básicamente
algo que no entendemos está ocurriendo en cosmología; o ¿tiene que ver con los datos?
Escalas de distancia
Alberto Domínguez y su equipo calcularon cuán rápido
crece el universo mediante la comparación de las distancias a varias galaxias
diferentes con sus corrimientos al rojo — una medida de cuánto se ha estirado
la longitud de onda de la luz a causa de la expansión del universo–. Calcular
las distancias era una hazaña difícil que requería una técnica llamada
"construcción de una escala de distancia". Primero se utilizaron
métodos confiables para medir las distancias a las galaxias cercanas, después
se utilizaban esas distancias para calibrar las mediciones de estrellas
variables dentro de las galaxias. Estas estrellas, llamadas Cefeidas, se ponen
más brillantes u oscuras periódicamente, lo que les permite servir como metros
cósmicos. Por último, los investigadores utilizaron las Cefeidas — que solo son
visibles desde relativamente cerca — para calibrar las mediciones de una clase
especial de explosiones de supernova llamada Tipo 1a, que estallan con un
brillo conocido, permitiendo a los astrónomos deducir sus distancias. Una vez tenían
mediciones confiables de las supernovas cercanas, podían compararlas con
supernovas del mismo tipo para conseguir una lectura muy precisa de sus
distancias.
Esta es esencialmente la misma técnica que usaron en la década de 1990 para descubrir la primera evidencia de que se aceleraba la expansión del universo. En 2011 el equipo hizo una medición actualizada de la constante de Hubble basado en ocho galaxias que contienen Cefeidas y supernovas Tipo 1a, pero el nuevo documento agregó 10 más. “Observamos cada una de esas 10 galaxias al menos 12 veces distintas durante un período de cerca de 100 días”, dice Samantha L. Hoffmann de la Universidad de Texas A & M, quien analizó muchos de los datos. “Fue toda una empresa”. La medición más reciente coloca la tasa de expansión del universo en 73,02 (+/- 1,79) kilómetros por segundo por megaparsec (unos 3 millones de años luz), lo que significa que por cada megaparsec que uno avance hacia afuera, el espacio está alejándose unos 73 kilómetros por segundo más rápido.
Mirando hacia atrás en
el tiempo
Por el contrario, la medición de la
constante de Hubble desde el universo temprano proviene de observaciones de la
radiación cósmica de fondo (CMB, por sus siglas en inglés), la luz que sobró
después el big bang y que ahora impregna el cielo entero. Los investigadores
estudiaron patrones en la CMB y extrapolaron a tiempos modernos, basándose en
las leyes cosmológicas más conocidas, para llegar a la constante de Hubble. Las
mejores observaciones hasta la fecha de la CMB fueron hechas por el satélite
Planck de la Agencia Espacial Europea, cuyos datos ponen tasa de expansión del
universo a 67,3 ( +/- 0,7) kilómetros por segundo por megaparsec.
“Anteriormente
existía un asomo de tensión entre las dos medidas”, dice Dan Scolnic de la
Universidad de Chicago, miembro del equipo de Alberto Domínguez. “Ahora,
nuestro equipo y el de Planck han reanalizado y esta tensión se ha convertido
en algo más fuerte. Tenemos una señal de alarma de que realmente algo más
podría estar sucediendo. Esta podría ser la mayor tensión ahora en la
cosmología”.
El último resultado también
concuerda con otras mediciones de la constante de Hubble basadas en mediciones
de escalas de distancia similares, como un estudio de 2012 dirigido por Wendy
Freedman de la Universidad de Chicago. “Creo que es interesante que ellos
aumentaron el tamaño de su muestra y aun así el resultado esencialmente no cambia”,
dice Freedman. “Esto es un progreso espectacular en este momento, pero para
realmente hacer una medición definitiva se requieren métodos independientes. Es
demasiado pronto para decir cómo esto se resolverá en última instancia”.
Freedman está liderando un esfuerzo para realizar el mismo cálculo, aunque
utilizando otro tipo de criterio cósmico — estrellas variables RR Lyrae, en
lugar de Cefeidas–.
En la cancha de la CMB, los científicos
también siguen analizando los datos y buscando explicaciones de lo que podría
haber ido mal. Bennett, quien encabezó una misión de mapeo de la CMB hecha
antes del experimento de Planck, llamada Sonda Anisotropía de Microondas
Wilkinson (WMAP), dice que también hay discrepancias en los datos CMB, por
ejemplo entre lo que el satélite mide mirando al cielo en pequeñas escalas
frente a escalas mayores. “Antes de saltar a conclusiones acerca de la
cosmología quisiera entender estas cosas”, dice. En general, Bennett está
encantado con el progreso.
“Durante años no sabíamos el valor de la
constante de Hubble a un factor de dos, y ahora estamos hablando de conseguirlo
dentro de un dos por ciento”, añade. “Las cosas que estamos comparando tienen
una precisión excelente y eso se les debe a lo que han hecho muchas personas en
este campo. El mensaje aquí es que esto no ha terminado. Necesitamos seguir
avanzando”.
Recreación artística de una
galaxia distante cuyo agujero negro central está emitiendo un potente haz de
radiación. Un análisis basado en este tipo de fuentes cósmicas ha
permitido obtener una estimación independiente de la constante de Hubble. [ESA/Hubble/NASA/M.
Kornmesser.]
Referencia: «A new
measurement of the Hubble constant and matter content of the Universe using
extragalactic background light γ-ray attenuation». Alberto Domínguez
et al. en The Astrophysical Journal, vol. 885, n.o 2, 8 de
noviembre de 2019.
Dra. Anayatzin Sagrario Mendoza Castro
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