Los astrónomos han llegado a un punto muerto fundamental en su comprensión del universo: no se ponen de acuerdo sobre la velocidad a la que se separa. Y a menos que se encuentre una explicación razonable para sus diferentes estimaciones, podrían verse obligados a replantearse por completo sus ideas sobre el tiempo y el espacio. Muchos creen que sólo una nueva física puede explicar el enigma cósmico que han descubierto.
«Hace cinco años, a nadie en cosmología le preocupaba realmente la cuestión de la velocidad de expansión del universo. Lo dábamos por hecho», afirma el astrofísico Daniel Mortlock, del Imperial College de Londres. «Ahora tenemos que rascarnos mucho la cabeza, y hacer muchas investigaciones».
Esta opinión la respalda el astrofísico estadounidense y premio Nobel Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins. «Creo que este asunto se ha convertido en un gran problema. Cada vez entendemos mejor el universo y, sin embargo, cuanto más nos acercamos a él, más descubrimos que existen todos estos componentes misteriosos»
A lo largo de las décadas, estas sorpresas han incluido el descubrimiento de la materia oscura -que se cree que está formada por partículas aún no detectadas- cuya atracción gravitatoria adicional explica por qué las galaxias no se separan. Además, los astrónomos también han descubierto la existencia de la energía oscura, que acelera el ritmo de expansión del cosmos.
«Esos dos descubrimientos fueron suficientemente notables», añade Riess, que ganó su Nobel por su participación en el descubrimiento de la energía oscura. «Pero ahora nos enfrentamos al hecho de que puede haber un tercer fenómeno que habíamos pasado por alto, aunque todavía no tenemos una pista de lo que podría ser».
Los científicos se dieron cuenta por primera vez de que el universo se estaba expandiendo en la década de 1920, cuando el astrónomo estadounidense Edwin Hubble descubrió que cuanto mayor es la distancia entre dos galaxias, más rápido se separan. Sigue siendo uno de los descubrimientos científicos más importantes de la historia.
Una forma de pensar en este fenómeno es imaginar un pan de frutas que se está cocinando en un horno. A medida que su masa sube y se expande, las pasas y las sultanas incrustadas en el interior del pan se alejan unas de otras. El universo es como ese pan de frutas. Se está expandiendo y hace que las galaxias -las pasas y sultanas incrustadas en él- se alejen unas de otras a gran velocidad.
Pero si el universo se hace cada vez más grande, queda una pregunta clave: ¿cuál es el ritmo exacto de esta expansión? ¿A qué velocidad se aleja el cosmos? O para ser más precisos: ¿cuál es el valor exacto de la constante de Hubble, como se denominó posteriormente a la velocidad de expansión del universo? Se trata de un valor muy importante y muy buscado porque nos dirá mucho sobre el origen, la edad, la evolución y, en última instancia, el destino del cosmos. De ahí el esfuerzo que los astrónomos han realizado durante el último siglo para encontrar una respuesta precisa.
Sin embargo, estas observaciones se han basado en dos enfoques muy diferentes. Uno de ellos se ha centrado en el comportamiento de las galaxias cercanas a la nuestra, la Vía Láctea, y ha consistido en que los científicos calculen -con una precisión cada vez mayor- a qué velocidad se alejan unas de otras. «Ese es el enfoque local», afirma Riess, cuyo trabajo se ha centrado en intentar perfeccionar la medición de las distancias entre las galaxias de nuestra región del universo. (Véase «La constante de Hubble y Henrietta Leavitt», más abajo.)
El otro método para establecer la constante de Hubble ha consistido en que los astrónomos observen el patrón ondulante de luz, llamado fondo cósmico de microondas, que se formó justo después del nacimiento del cosmos por el Big Bang hace 13.800 millones de años. Este fondo ha sido estudiado con una precisión cada vez mayor por los satélites estadounidenses y europeos -más recientemente por el observatorio Planck de la Agencia Espacial Europea- y estas observaciones han permitido a los científicos construir un modelo que tiene en cuenta la energía oscura y la materia oscura y que muestra cómo el crecimiento del universo primitivo habría producido probablemente una expansión que los astrónomos pueden medir hoy en día.
Y hasta hace muy poco, estos dos enfoques diferentes produjeron estimaciones que parecían ser consistentes entre sí, aunque había considerables incertidumbres asociadas a ambas mediciones. «La mejor apuesta de todo el mundo era que la diferencia entre las dos estimaciones se debía simplemente al azar, y que los dos valores convergerían a medida que se realizaran más y más mediciones», dice Mortlock. En otras palabras, a medida que los dos valores se probaran con una precisión cada vez mayor, sus diferencias desaparecerían.
Desgraciadamente para los astrónomos que buscan una solución sencilla al problema, esto no ha ocurrido. «De hecho, ha ocurrido lo contrario», afirma Mortlock, que también trabaja en la Universidad de Estocolmo. «La discrepancia se ha hecho más fuerte. La estimación de la constante de Hubble que tenía el valor más bajo se ha reducido un poco a lo largo de los años y la que era un poco más alta se ha hecho aún mayor»
Hoy en día, los que utilizan los datos de Planck y del fondo cósmico para obtener un valor para la constante de Hubble obtienen una cifra de 67,4 más o menos 0,5. En cambio, el enfoque local da una cifra de 73,5 más o menos 1,4. Estos valores representan los dos valores diferentes que tenemos para la expansión del universo. (Véase «Cuestión de métricas», más abajo.)
La disimilitud puede no parecer gran cosa, pero es significativa. Dicen que ahora hay menos de una posibilidad entre 100.000 de que esta diferencia pueda ser explicada por el azar. «No se trata simplemente de dos experimentos que no están de acuerdo», dice Riess. «Estamos midiendo algo fundamentalmente diferente. Uno es una medición de la velocidad de expansión del universo actual, tal y como lo vemos. El otro es una predicción basada en la física del universo primitivo y en las mediciones de la velocidad a la que debería expandirse. Y estas mediciones han sido corroboradas ahora de forma independiente por otros grupos, de modo que la discrepancia no depende de ninguna herramienta ni de ningún equipo.
«Y si estos valores no coinciden, eso significa que hay una probabilidad muy grande de que nos falte un factor en el modelo cosmológico que conecte las dos épocas.» En resumen, algo parece estar ausente de nuestra comprensión del universo y la constante de Hubble se ha convertido en el centro de una batalla muy disputada para descubrir la naturaleza de esta influencia invisible.
Para empezar, la diferencia entre dos valores tiene implicaciones para la edad del universo, recortando más de mil millones de años de su existencia en un caso. «El cambio de la constante de Hubble de 67,4 a 73,5 significaría que el universo debe haber volado más rápido de lo que se suponía y, por lo tanto, debe ser más joven que su edad actualmente aceptada de 13.800 millones de años», dice Mortlock. «De hecho, se reduciría a 12.700 millones de años».
Y esto causa problemas. Hay algunas estrellas muy antiguas en el universo que tienen edades estimadas de alrededor de 12.000 millones de años, y esto hace que una cronología cósmica revalorizada sea un poco difícil de digerir. Las estrellas tardan mucho en formarse, después de todo.
Sin embargo, ese no es el verdadero problema, dice Mortlock. «El problema básico es que tener dos cifras diferentes para la constante de Hubble medidas desde diferentes perspectivas simplemente invalidaría el modelo cosmológico que hicimos del universo. Así que no podríamos decir cuál es la edad del universo hasta que hayamos corregido nuestra física».
Debido a las corroboraciones independientes, Riess está cada vez más seguro de que debe haber una discrepancia fundamental, que no se debe a fallos metodológicos o a errores en las observaciones, sino que está causada por una característica de nuestro universo de la que los científicos no habían tenido ningún indicio. «Creo que está ocurriendo algo interesante», afirma. «Y no considero que los errores de medición sean interesantes».
Pero si el error de medición ya no puede considerarse una causa de las diferencias en los valores de la constante de Hubble, ¿qué nuevos conceptos podrían explicar esta discrepancia? Los astrónomos ya han presentado varias sugerencias.
Una idea propone que el universo contiene una nueva clase de partícula subatómica que viaja cerca de la velocidad de la luz. Estas entidades se denominan radiación oscura y podrían incluir también partículas ya conocidas como los neutrinos. Estas afectarían a la velocidad de expansión del universo.
Otra idea es que hubo un episodio especial e intenso de energía oscura no mucho tiempo después del big bang, que expandió el universo más rápido de lo que los astrónomos habían apreciado hasta ahora.
Y, por último, existe la posibilidad de que las partículas que componen la materia oscura interactúen más fuertemente con la materia normal de lo que se suponía. Una vez más, esto repercutiría en la constante de Hubble.
No todos los científicos están encantados con la posibilidad de que una de estas propuestas sea la respuesta a su dilema de medición y siguen esperando que al final sea posible reconciliar los dos valores que obtienen para la constante de Hubble. Este punto es subrayado por Mortlock. «Ya hemos descubierto que nuestro universo está dominado por la materia oscura y por la energía oscura, cuyos efectos podemos observar pero cuya naturaleza básica es un misterio. Son dos enormes signos de interrogación que ya penden sobre nuestra comprensión del cosmos. Personalmente, no siento la necesidad de un tercero».
Por su parte, Riess adopta una visión algo más optimista. «No estamos hechos de materia oscura ni de energía oscura, pero hemos descubierto su existencia aunque, intuitivamente, no forman parte de nuestra experiencia de la vida en la Tierra. Eso sugiere que vamos en la dirección correcta para entender el universo, aunque puede ser que tengamos que dar al menos un paso más.»
La constante de Hubble y Henrietta Leavitt
Las estrellas conocidas como variables cefeidas han desempeñado un papel fundamental en nuestra comprensión de la expansión del universo. Estas estrellas, que son relativamente comunes, varían su brillo durante períodos de días o semanas. En 1908, Henrietta Leavitt descubrió que existía una relación entre el brillo de una estrella variable cefeida y el tiempo que tardaba en recorrer un ciclo completo de cambio en su luminosidad.
Como resultado, al medir el periodo de una variable cefeida, se hizo posible calcular su verdadero brillo. A continuación, comparándolo con su brillo aparente, los astrónomos podían calcular la distancia de la estrella y la galaxia en la que se encuentra. Hubble utilizó este conocimiento en su trabajo para calibrar las distancias cosmológicas, y las cefeidas siguen proporcionando hoy en día una calibración clave de las distancias astronómicas para el método local de cálculo de la constante de Hubble.
Cuestión de métricas
Una constante de Hubble de 70 significaría que el universo se está expandiendo a un ritmo de 70 kilómetros por segundo por megaparsec. Para entender lo que esto significa, primero hay que apreciar que un parsec es una medida de distancia astronómica y que un megaparsec es el equivalente a un millón de parsecs. A su vez, hay 3,3 años luz por cada parsec, por lo que un megaparsec equivale a 3,3m de años luz. Así pues, por cada 3,3 millones de años luz que una galaxia se aleje de nosotros, se moverá 70 kilómetros (43,5 millas) por segundo más rápido que nosotros, como resultado de la expansión del universo.
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