LA EXTRAÑA ACELERACIÓN DEL UNIVERSO
Los últimos datos recabados por distintos equipos de investigadores parecen demostrar que el cosmos se está expandiendo mucho más rápido de lo que nuestros modelos cosmológicos pueden explicar. Cada vez son más los expertos que sugieren que quizá ha llegado el momento de replantearse lo que creemos saber de él y de su funcionamiento.
Se ha convertido en un secreto a voces: algo anda mal en nuestra noción del cosmos. Cuando medimos la velocidad a la que se expande, obtenemos distintos resultados según si extrapolamos datos del comienzo de la formación del universo o si miramos a las estrellas que explotan en galaxias cercanas. La discrepancia indica que todo va más rápido de lo que cabría esperar. El problema salió a la luz hace unos años, y, aunque se esperaba que se resolvería por sí solo al hacer observaciones más precisas, las últimas mediciones nos impiden seguir ignorándolo. “La cosa se está poniendo seria”, opina Edvard Mörtsell, cosmólogo de la Universidad de Estocolmo (Suecia).
Los astrofísicos llevan tiempo buscando respuestas. Han jugado con explicaciones relacionadas con las propiedades de la energía y la materia oscuras, dos componentes a la vez bien conocidos y misteriosos de nuestro modelo convencional de cosmología. Han imaginado todo tipo de nuevos ingredientes exóticos para llenar la laguna, aunque no han llegado a ninguna parte. No hay más remedio que dejar de lado nuestro modelo de un cosmos ideal que navega serenamente.
ALGUNOS FÍSICOS HAN SUGERIDO QUE QUIZÁ DEBERÍAMOS CREAR UN NUEVO MODELO DESDE CERO, BASADO EN UN CONCEPTO revisado de la gravedad. No es la primera vez que se propone. Ahora, sin embargo, la ciencia ha dado una nueva vuelta de tuerca. Al añadirle el elemento cuántico a las teorías del espacio y tiempo que formuló Albert Einstein, podríamos por fin dar una explicación a la expansión acelerada del universo.
Nuestra comprensión de la realidad ha cambiado en respuesta a las observaciones. En 1915, Einstein describió la gravedad en su teoría general de la relatividad como el resultado de la deformación del espacio y del tiempo en presencia de una masa. Aventuró que el universo esculpido por esta fuerza a gran escala era estático, e incluso añadió un término a su ecuación, la constante cosmológica. Esta impedía que se expandiera sin control o que colapsara.
No obstante, pocos años después, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble demostró que las galaxias más distantes estaban alejándose a gran velocidad de la nuestra y que, por tanto, el cosmos se estaba expandiendo. Ello significaba que debía haber comenzado a hacerlo en un estado denso y caliente, lo que hoy conocemos como big bang.
Entonces, en la década de los 90, dos grupos de científicos emplearon la luz proveniente de la explosión de estrellas para demostrar que, en efecto, tal cosa estaba sucediendo. Ahora atribuimos ese fenómeno a una misteriosa fuerza gravitacional repulsiva, la energía oscura, muy parecida en su esencia a la constante cosmológica de Einstein, que él mismo acabó repudiando.
Los astrónomos que observaron la rotación y los cúmulos de galaxias también se habían dado cuenta de que están moviéndose mucho más deprisa de lo que deberían en función de la cantidad de materia visible que contienen. Pensaron que la solución era actualizar el modelo de nuevo, incorporando la materia oscura, un ente invisible que pesa mucho más que la materia que vemos.
ESTOS SON LOS FUNDAMENTOS DEL MODELO DE COSMOLOGÍA ESTÁNDAR, conocido como Lambda-CDM. Lambda es la energía oscura y CDM son las siglas en inglés de materia oscura fría. Este ha sido capaz de explicar casi todo lo que observamos en su escala más grande. Esta teoría encaja también con el mapa más preciso que tenemos de la radiación de fondo de microondas –CMB por sus siglas en inglés, Cosmic Microwave Background–, la primera luz del universo, que fue liberada 380 000 años después del big bang. “Hay que reconocer que se trata de un modelo muy sólido”, indica Carsten van de Bruck, de la Universidad de Sheffield (Reino Unido).
Su concordancia con la CMB era la prueba definitiva de la consistencia de este modelo. Gracias a él, los astrónomos podían tomar medidas precisas de la velocidad de expansión del universo cuando la CMB fue liberada y predecir la velocidad actual, conocida como la constante de Hubble. “Es la prueba definitiva para entender el cosmos de un lado a otro –comenta el astrofísico Adam Riess, de la Universidad Johns Hopkins (EE. UU.)–. Podría decirse que vale para ir desde el principio al final y conseguir que los dos extremos del puente que estás construyendo se toquen”.
Se llama radiación de fondo de microondas –CMB por sus siglas en inglés, arriba– al electromagnético del big bang que permea todo el universo. En 2020, el Telescopio de Cosmología de Atacama, en Chile –derecha–, hizo una medición exhaustiva de este mapa primigenio del cosmos y confirmó que algo no cuadra en el modelo científico hasta ahora aceptado.
El problema es que cuando extrapolamos los datos recabados a partir del big bang obtenemos una velocidad de expansión más baja que la que se calcula a partir de las mediciones de las estrellas en explosión en galaxias cercanas.
La expansión se mide como la celeridad a la que se expande cada millón de pársecs (Mpc) de espacio –un pársec son 3,26 años luz–. Con el modelo Lambda-CDM, el resultado de la constante de Hubble son 68 kilómetros por segundo por cada millón de pársecs (km/s/ Mpc). Pero si observamos la velocidad de expansión actual midiendo las distancias en el espacio, la cifra es de entre 73 y 74 km/s/Mpc.
ESTA DISCREPANCIA SE HA BAUTIZADO COMO TENSIÓN DE HUBBLE. Si el modelo Lambda-CDM describe correctamente cómo funciona el universo, no debería haber tal desajuste. La mayoría de los astrofísicos no quieren abandonar un paradigma que en todo lo demás funciona, por lo que prefieren asumir que tal tensión no es real y que las observaciones son incorrectas. Sin embargo, en 2019, otra medición volvió a hacer saltar las alarmas, y el verano pasado la estabilidad del modelo se resquebrajó aún más, cuando un examen del CMB con el Telescopio de Cosmología de Atacama refutó las predicciones de Lambda-CDM. La conclusión es clara: las mediciones no coinciden y la tensión de Hubble es real. Hay algo fundamental que no entendemos del universo.
Los científicos han estado buscando con urgencia una explicación. “Parece que se inventa una teoría nueva cada día”, dice Mörtsell. Siguiendo los pasos de la materia y la energía oscuras, muchas de estas nuevas hipótesis incluyen más elementos invisibles en el modelo Lambda-CDM, con la esperanza de que el cóctel resulte en un aumento en la velocidad esperable de expansión. Pero cuando Mörtsell trató de analizar cuánta energía habría que añadirle al universo temprano para reducir esa discrepancia, los resultados fueron rotundos. “No es fácil. Puedes reducirla un poco. Quizá hasta la mitad, pero no mucho más”. Además de entender la constante de Hubble, cualquier modelo debe describir de forma correcta el resto de observaciones, como la velocidad a la que se forman las galaxias, la cantidad de cúmulos galácticos y el aspecto de sutiles ondas en estos cúmulos –conocidas como oscilaciones acústicas bariónicas–. Resulta que Lambda-CDM explica bien todo eso y que cualquier cambio que aumentara la constante de Hubble desmontaría todo el puzle.
Otra posibilidad es retocar el comportamiento de un componente preexistente; por ejemplo, determinar que la forma de repulsión que aporta la energía oscura tal vez fuera más fuerte en el universo temprano. “De nuevo, puedes reducir la tensión un poco, pero no todo lo necesario para que el modelo encaje con las mediciones”, comenta Mörtsell. Y lo mismo ocurre con la materia oscura.
Cada vez son más los estudios que indican que existe cierto fenómeno fundamental en el cosmos que se nos escapa
La fuente de tensión puede buscarse en otro lado: la idea de que la materia y la energía están más o menos equitativamente distribuidas por el universo. Se trata de un aspecto clave en el modelo LambdaCDM, y, sin duda, fue algo que ocurrió cuando se formó la CMB. Pero, en los 13000 millones de años que siguieron, mientras la gravedad acercaba entre sí los cuerpos celestes, el universo se ha vuelto grumoso y heterogéneo. Los estudios astronómicos muestran que entre el 30% y el 40% del cosmos contiene cúmulos de galaxias. Estos han drenado la energía del resto del espacio, y han dejado entre el 60% y el 70 % restante convertido en grandes regiones vacías.
PUES BIEN, LOS CÚMULOS DE GALAXIAS SE VUELVEN TAN DENSOS QUE SE SEPARAN DE LA EXPANSIÓN GLOBAL DEL UNIVERSO. Existen como objetos gravitacionalmente estables, lo que significa que la atracción que hay entre ellos es lo bastante fuerte como para evitar que el espacio que engloban se estire. Los vacíos circundantes, mientras tanto, al carecer de masa, se expanden a una velocidad más rápida. Este detalle –bautizado como reacción inversa– es algo ignorado por Lambda-CDM. La mayoría de los investigadores asumía que a gran escala los cúmulos y vacíos se compensaban unos con otros, haciendo que las diferencias en la velocidad de expansión fueran nimias. Pero ¿y si no es así?
En 2018, Krzysztof Bolejko, cosmólogo de la Universidad de Tasmania (Australia), se dio cuenta de que, si la reacción inversa alteraba la expansión global del universo solo un 1%, era posible explicar la tensión de Hubble. Bolejko ideó un modelo limitado del cosmos y echó cuentas. Los resultados parecían cuadrar. Sin embargo, cuando Hayley J. Macpherson y sus colegas de la Universidad de Cambridge (Reino Unido ) hicieron una simulación a gran escala con un modelo Lambda-CDM sensible a la reacción inversa, la expansión promedio apenas cambiaba. Tampoco servía para explicar la escurridiza discrepancia.
Eso implica volver a empezar y revisar la teoría que gobierna la relación entre el universo y sus componentes. Es un paso necesario, porque la teoría general de la relatividad todavía no ha suspendido ningún examen basado en la observación directa.
La mayoría de los sustitutos que se han buscado a las ideas einsteinianas son, en realidad, adiciones a las ecuaciones que ya había. El grupo de teorías de la llamada relatividad simétrica, por ejemplo, postula que se cumplen un montón de nuevas ecuaciones a partir de las formuladas por el físico alemán, cuando rigen ciertas condiciones, como que la gravedad supere determinado nivel o caiga por debajo de él. Sin embargo, ese punto de vista sedujo a Mörtsell, pues un cambio en el comportamiento de la gravedad a lo largo de la historia cósmica podría haber producido una diferencia en la velocidad de expansión.
Tras modificar la teoría para explicar la tensión de Hubble, lo siguiente que Mörtsell tiene previsto hacer es comprobar si sigue prediciendo la aparición de los cúmulos de galaxias actuales. Pero en este punto la cosa aún se complica más. “Las ecuaciones son demasiado difíciles de resolver”, reconoce. No olvidemos que destripar las complejidades de la teoría general de la relatividad ha llevado décadas a los cosmólogos.
A partir de los datos aportados por los futuros telescopios, quizá se pueda formular una ley de la gravedad distinta a la de Einstein
Bolejko ha tomado otro camino. Ha rescatado el trabajo de Élie Cartan, un matemático francés que en la primera mitad del siglo XX propuso una extensión a la relatividad general, llamada torsión. En las formulaciones de Einstein, la masa es la única propiedad de la materia que deforma el espacio-tiempo, mientras que Cartan propuso que el espacio-tiempo también puede verse afectado por la propiedad cuántica del espín, el momento angular –una especie de giro, por simplificar– que determina las propiedades de las partículas subatómicas. El mundo de lo diminuto podría volver a explicar qué sucede en las enormes extensiones cósmicas.
PARA CHRISTOS TSAGAS, DE LA UNIVERSIDAD ARISTÓTELES DE TESALÓNICA (GRECIA), LA TEORÍA DE LA TORSIÓN ES ATRACTIVA porque es una de las formas más sencillas de extender la relatividad general. En vez de añadir algo a posteriori, incorporas una propiedad física que sabes que se da en la materia. En este proceso, añades un nuevo campo al universo, cuyas propiedades están gobernadas por varios parámetros por determinar. “Se puede afinar, y puede que resuelva la tensión de Hubble. Hay que cambiar la naturaleza de la geometría del espacio-tiempo”, dice Tsagas. Y cualquier cosa que afecte a esa geometría afectará a la expansión. Bolejko piensa que, quizá, vaya por buen camino. “Los resultados que hemos cosechado son esperanzadores: con la corrección hemos obtenido 73,9 km/s/Mpc. Eso se acerca mucho”, asegura. Además, recalca que se trata de las investigaciones preliminares. Si sus cálculos se confirman, será la primera vez que un modelo cosmológico ha concordado con las medidas observadas por los astrofísicos.
Algo a favor de la torsión es que puede ponerse a prueba. Para ello, hay que comparar dos formas de medir la distancia a escalas cosmológicas. Una observa el tamaño de cuerpos celestes parecidos y equipara la diferencias mediante la distancia angular entre ellos. La otra calcula la distancia comparando el brillo o luminosidad de objetos similares.
En la teoría estándar de la relatividad general, esas dos distancias están relacionadas por una fórmula conocida como ecuación Etherington de dualidad de distancia. Pero, a principios de este año, Bolejko calculó que, con la adición de la torsión, el espacio-tiempo se vuelve más complicado de lo esperado, lo que cambiaría la citada ecuación.
Por ahora, los telescopios no son lo bastante sensibles para ejecutar tal prueba, pero próximamente varias iniciativas recabarán datos de las estructuras a gran escala del universo, como la misión Euclides de la ESA. Esta prevé lanzar una sonda en 2022 para estudiar la forma y posición de 2000 millones de galaxias. Ello permitirá conocer con precisión sin precedentes la historia de la expansión del cosmos. El futuro telescopio espacial Nancy Grace Roman, de la NASA, tendrá idéntico cometido.
Puede ser el momento decisivo para demostrar o refutar las teorías de Einstein. “Cuando empiezas a modificar la gravedad, cambias la manera en que crecen las galaxias y los cúmulos –observa Mörtsell. Y añade–: Los mencionados satélites nos permitirán investigar los escenarios donde podría darse otra ley de la gravedad aparte de la sugerida por Einstein”.
¿Estamos ante el ocaso de Lambda-CDM? ¿Puede caer un modelo tan robusto por una leve discrepancia? Fueron pequeñas inconsistencias de cosas en principio tan sencillas como la órbita de Mercurio las que llevaron a Einstein a reemplazar las ideas de Newton. Tal vez estamos a punto de vivir una revolución en la cosmología, despertada por las observaciones recientes, aunque aún no imaginemos en qué consistirá esa revolución.