UN UNIVERSO INDESCIFRABLE
Lo conocemos cada vez mejor gracias a pruebas sólidas, obtenidas por telescopios y satélites muy avanzados. Pero los científicos saben que la verdad definitiva sobre el cosmos sigue escondida, esperándonos.
Si medimos su éxito en premios Nobel, el vigente modelo estándar de la cosmología va en la dirección correcta. En las últimas dos décadas, tres de esos galardones han ido a parar a avances en el estudio de la naturaleza a gran escala del universo. La imagen de un cosmos que se encontraba hace 13800 millones de años en un estado muy denso y caliente y que se ha ido expandiendo y enfriando concuerda con muchas de nuestras observaciones. Pero se puede argumentar que no sabemos tanto. Por ejemplo, nuestra cosmología asume que la mayoría de la materia existe en una forma oscura que todavía no hemos detectado. Esta idea se apoya en la constante cosmológica de Einstein, que hizo esta adición aparentemente arbitraria a sus ecuaciones de la relatividad general para explicar por qué la expansión del universo parece acelerarse. Incluso si pasamos por alto estas dificultades, nos queda por resolver una gran cuestión: ¿qué hacía el cosmos antes de comenzar a expandirse?
UN ESCÉPTICO VERÍA ESTAS COMPLICACIONES –LA MATERIA Y LA ENERGÍA OSCURAS Y SU RELACIÓN CON LA CONSTANTE COSMOLÓGICA– como el equivalente moderno de los epiciclos ptolemaicos, los enrevesados ajustes hechos por los antiguos griegos a sus observaciones de los planetas para mantener la ficción de que todos giraban alrededor de la Tierra, pese a que sus movimientos no encajaban con ese modelo. Tengo más que decir sobre esto que la mayoría de los físicos: introduje los misteriosos elementos de la materia y la energía oscuras en nuestro modelo estándar de la cosmología. ¿Refleja este la realidad? A continuación argumentaré que sí, pero solo hasta donde lo permite lo que la ciencia sabe hoy.
Las pruebas de que el universo empezó con el big bang son sólidas. El testigo principal en la defensa de esta teoría es la existencia de un mar casi uniforme de radiación de microondas con longitudes de onda que van de milímetros a centímetros y que llena todo el espacio. Hace más de medio siglo, cuando hacía el posdoctorado con la ayuda de mi consejero y mentor Bob Dicke, exploré una idea: el universo primitivo podría haber estado caliente, y habría dejado un rastro de radiación a medida que se expandía y enfriaba. Poco después, en 1964, este fondo cósmico de microondas fue descubierto accidentalmente por Arno Penzias y Robert Wilson cuando probaban equipos de telecomunicaciones.
En 2006, John Mather recibió el Nobel de Física, que compartió con George F. Smoot, por demostrar gracias a las mediciones del satélite Explorador del Fondo Cósmico (COBE), de la NASA, que el espectro de la radiación de microondas del fondo cósmico –su densidad de energía en diferentes longitudes de onda–
es el propio de la radiación que ha entrado en equilibrio térmico. Este fenómeno se produce solo si la densidad de la materia circundante es suficiente para atrapar la radiación y llevarla hasta ese equilibrio. No es el caso del actual universo, donde la radiación de microondas viaja con libertad. Por eso, considero este espectro de la radiación de microondas de fondo cósmico –preservado a medida que el cosmos se expandía y enfriaba– como la prueba de que nuestro universo evolucionó desde un estado diferente al actual, una evidencia similar a las huellas de los dinosaurios que nos demuestran que en el pasado hubo enormes animales vagando por la Tierra.
El otro premiado, Smoot, lideró la investigación que demostró que el fondo cósmico de microondas no es del todo uniforme. Las pequeñas variaciones en su intensidad –detectadas con sumo detalle en posteriores mediciones– encajan con lo esperable de un universo post big bang en expansión, en el que además existieran dos elementos por descubrir: la energía oscura y la materia oscura. Por mi parte, lo que llevé a cabo a principios de los 80 fue introducir la materia oscura en el modelo estándar de la cosmología. Lo hice motivado en parte por las primeras mediciones de la radiación de microondas del fondo cósmico, que fueron lo suficientemente buenas como para demostrar que esta era débil. Sin embargo, observamos que la materia surgía en grandes aglomeraciones: galaxias y grupos y cúmulos galácticos. ¿Cómo podía agruparse tal cantidad de materia sin arrastrar la energía con ella?
MI RESPUESTA A TAL DILEMA SOSTENÍA QUE LA MAYOR PARTE DE LA MATERIA NO ES BARIÓNICA (llamamos así a la que vemos y nos conforma a nosotros, los planetas y las estrellas…). La materia oscura no bariónica que tenía en mente no interactuaría con la normal, excepto a través de la gravedad, o con radiación. A medida que se aglutinara por la fuerza de la gravedad, se deslizaría a través de la radiación de microondas, sin apenas alterarla. Tenía otras dos pistas que seguir. En primer lugar, había pruebas de que la mayoría de la masa de las afueras de las galaxias no es muy luminosa. Si la materia visible y detectable fuera la única que hay, las galaxias se desmoronarían, dada la velocidad a la que giran. La segunda provenía de la física de partículas. Por aquel entonces, había dos familias confirmadas de las partículas fundamentales conocidas como leptones: el electrón y su neutrino, y el muon y su neutrino. También había indicios crecientes de la existencia de una tercera familia, formada por lo que se conoció como tau y su neutrino. Entonces, ¿por qué no pensar en una cuarta?
Si el hipotético cuarto neutrino era pesado, con una masa unas tres veces superior a la de un protón, habría formado un mar de partículas remanentes del primitivo universo caliente que habría proporcionado la suficiente densidad de materia requerida por el universo para expandirse a velocidad de escape: este es el nombre que se le da a la tasa de expansión del cosmos en la cual la gravedad que une la materia es suficiente para ralentizar la expansión, pero no para detenerla o revertirla hacia una especie de big crunch o gran implosión.
En ese momento parecía que la densidad media de materia del universo era menor que este número crítico, tanto como para que la tasa de expansión fuera alrededor del doble de la velocidad de escape. Eso significaría que, ¡menuda coincidencia!, estaríamos observando el cosmos justo en el momento en que la tasa de expansión ha vencido a la gravedad y aquel ha comenzado a expandirse libremente. El problema se resolvería si el universo contuviera la densidad de materia adecuada, en cuyo caso habría estado siempre expandiéndose a velocidad de escape, al margen del momento en que se observara. Muchos defendimos esto último, pero nos equivocamos.
LA HIPOTÉTICA EXISTENCIA DE UN CUARTO Y MUY MASIVO TIPO DE NEUTRINO resultaba muy interesante para los físicos que la defendían. Es probable que fueran vagamente conscientes de la citada teoría de la velocidad de escape, pero sabían muy poco de las pruebas sólidas sobre la realidad de la masa extra de materia invisible esparcida alrededor de las galaxias. Al unir estos dos elementos con la poca intensidad de la radiación de microondas del fondo cósmico, surgió el modelo de la materia oscura fría. El término fría alude al hecho de que las partículas que constituyen esta materia se moverían despacio en relación a la expansión general del universo, una propiedad que sería muy importante para explicar la formación del tipo de galaxias y grupos de galaxias que conocemos.
A partir de estas piezas, en 1982 predije que la temperatura de la radiación de microondas del fondo cósmico variaría en diferentes zonas del firmamento a razón de cuatro partes por millón. Esto concuerda con las mediciones completadas dos décadas después por el satélite COBE. Mi hipótesis se basaba tanto en conjeturas bien informadas como en el hecho de que había pasado mucho tiempo midiendo la distribución a gran escala de la materia en el universo, así que disponía de una guía sobre el efecto gravitacional que aquella podría tener sobre la radiación.
Mientras, también había estado trabajando en medir la densidad media de materia en el universo. Estaba seguro de que era lo suficientemente baja como para que la expansión del cosmos fuera más rápida que la velocidad de escape, hubiera o no un cuarto neutrino. Esta idea no fue muy bien recibida: la expansión justo a la velocidad de
“Si la materia visible y detectable fuera la única que existe, las galaxias se desmoronarían, dada la velocidad a la que giran”
escape parecía correcta. Pero, para mí, exigía la reintroducción de una constante cosmológica en el modelo. Einstein había recurrido a esta constante en 1917 con la intención de mantener la idea de cosmos en la que creía: un universo estático que ni se expandía ni se contraía. Pero admitió su error cuando las mediciones de la década siguiente demostraron que se equivocaba. Los físicos de partículas odian especialmente esta constante, porque tiene un valor altísimo respecto al que encajaría con las pruebas disponibles. Pero si le otorgamos un valor minúsculo, la constante funciona. Pocos me tomaron en serio en 1984, cuando propuse la reintroducción en las ecuaciones de esta constante cosmológica con un valor absurdamente pequeño, pero que hacía encajar las piezas. Sin embargo, a principios de este siglo los resultados de tres grandes programas experimentales en cosmología vinieron a reivindicar mi propuesta.
El primer espaldarazo a mi teoría vino de nuevos métodos de medición de la densidad media de materia en el cosmos, que arrojaron un resultado claro: el universo se expande a una velocidad mayor que la de escape. La segunda confirmación surgió de las mediciones de los cambios en la tasa de expansión del universo, hechas a partir de la detección de la luz de las supernovas que explotan en galaxias distantes. Vemos las galaxias lejanas como eran en el pasado, porque su luz tarda en llegarnos, y el efecto Doppler cambia la longitud de onda de esa luz en función del movimiento de esas galaxias respecto a nosotros. Hacia el
año 2000, los datos extraídos de supernovas situadas a diferentes distancias de la Tierra indicaban que la expansión cósmica no solo es más rápida que la velocidad de escape: también aumenta con el tiempo. Este hallazgo llevó a rebautizar la constante cosmológica con el nombre de energía oscura, y en 2011 a la concesión del Nobel a tres investigadores estadounidenses de dos equipos diferentes: Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess. La tercera reivindicación de mi hipótesis de la constante cosmológica provino de la medición precisa de la variación en la temperatura y la polarización de la radiación de microondas del fondo cósmico en distintas regiones del espacio, que redujo la importancia de los efectos de la energía y la materia oscuras.
LAS TRES INVESTIGACIONES FUERON POSIBLES POR LAS MEJORAS EN LA DETECCIÓN DE LA RADIACIÓN –desde los rayos X hasta la luz óptica y las ondas de radio– y en la capacidad computacional y de almacenamiento de los ordenadores para gestionar la enorme cantidad de datos de las nuevas observaciones. Convencieron a la mayoría de los cosmólogos de que el modelo que incluye la materia y la energía oscuras va casi con toda certeza bien encaminado, y desde entonces nuevas mediciones han reforzado esta idea. Sin embargo, instrumentos más precisos que los que había cuando desarrollé mi teoría me han demostrado que algunas de las condiciones iniciales de esta –por ejemplo, la forma en que la materia deforma el espacio-tiempo– no eran las adecuadas.
Seguramente habrá que hacer más ajustes. Un ejemplo: existe una discrepancia del 10 % en el cálculo de la velocidad de la expansión del universo, derivada de las diferencias entre los dos métodos de obtenerla. El primero –que se llevó el Nobel de Física en 2011– se fundamenta en mediciones de las distancias entre galaxias y la velocidad a la que se alejan de nosotros, basadas en el efecto Doppler. El segundo proviene de ajustar los parámetros del modelo cosmológico vigente para que encajen con las mediciones precisas de los cambios en la radiación de microondas del fondo cósmico. Si el modelo es correcto, ambas mediciones deberían dar el mismo resultado. Puede que la diferencia se deba a sutiles errores sistemáticos, lógicos en trabajos tan complicados. O tal vez sea el indicio de que existe algo que se nos escapa.
Hay otras comprobaciones adicionales de la validez del modelo estándar de la cosmología. Una consiste en medir la cantidad de helio en el universo. Tenemos tres formas de estimarla: en primer lugar, la abundancia relativa de hidrógeno y deuterio [un isótopo estable del
H] nos permite calcular cuánto helio se formó en las reacciones termonucleares de las primeras etapas de expansión del cosmos, cuando la radiación de fondo de microondas tenía una temperatura mil millones de veces superior a la actual, de 3 grados kelvin por encima del cero absoluto. La segunda es analizar la distribución de la materia y la radiación cuando la temperatura del universo era mil veces superior a la de hoy, tan caliente que la materia bariónica se ionizaba y el plasma resultante se unía a la radiación. El helio es más denso que el hidrógeno, así que su presencia afecta a la forma en que se mueve el plasma en respuesta a la presión de la radiación circundante. Por último, los astrónomos pueden medir cuánto helio hay en el plasma y las estrellas cercanos. Los tres métodos brindan resultados consistentes. ¿Seguirán haciéndolo a medida que las mediciones sean más precisas? Quizá, pero sería emocionante si no fuera así.
Aunque se acumulen las pruebas de la precisión del modelo estándar de la cosmología, el misterio de la energía y la materia oscuras permanece. La existencia de la segunda sigue siendo hipotética, pese a la mejora en la precisión de los experimentos que desde los años 80 buscan sus presuntas interacciones con la materia normal. Detectarla sería impresionante, pero es posible que esté completamente desacoplada de la materia bariónica y de la radiación con la que estamos familiarizados y que nunca la descubramos, salvo por su efecto gravitacional, ya conocido, que mantiene unidas las galaxias.
En el caso de la energía oscura, muchas investigaciones se centran en saber si sus valores cambian a medida que el universo se expande. Si lo hacen, implicaría que no es una constante cosmológica con un valor verdaderamente extraño, pero sí que influye en la dinámica del universo. Averiguarlo es un enorme reto para la cosmología, al igual que precisar qué ocurrió en el big bang. El elegante concepto de la inflación cósmica explica algunas cosas de nuestra historia y sugiere que ese gran estallido pudo originar muchos universos además del nuestro, pero, nuevamente, no tenemos pruebas de esta hipótesis.
NO EXISTEN GARANTÍAS DE QUE PODAMOS LLEGAR A ENTENDER EL MUNDO FÍSICO QUE NOS RODEA, o de que detectemos cosas como la materia oscura. Sin embargo, para que no haya dudas de lo bien que le ha ido a la física hasta ahora, recordemos cómo los ingenieros pueden controlar las interacciones de electrones, átomos y moléculas –además de los campos magnéticos y eléctricos– en los teléfonos móviles. Y lo han hecho a partir de aproximaciones incompletas a esos elementos. La teoría de los campos electromagnéticos propuesta por James Clerk Maxwell en el siglo XIX aún se utiliza para diseñar los móviles, las redes de energía eléctrica y muchas más cosas, pero no es más que una parte de la electrodinámica cuántica, una teoría de mayor alcance que surge de una simetría rota en el modelo estándar de la física de partículas, que a su vez es una confusión desordenada de parámetros aparentemente arbitrarios. Seguramente hay algo mejor a la vuelta de la esquina, quizá alguna variedad de teoría de supercuerdas por descubrir. ¿Y después de eso?
Creo que la física está incompleta. No digo que se equivoque, pero sí que puede mejorarse. Tal vez haya una teoría final que la complete, o tal vez no pasemos nunca de aproximaciones. Y lo mismo puede decirse de mi campo de trabajo, la cosmología. Cuando empecé en él hace décadas, me sentía incómodo porque consistía sobre todo en teorías basadas en pruebas patéticamente débiles. Las evidencias son ahora mucho más abundantes e instructivas, pero todavía construimos teorías basadas en elementos hipotéticos, como la energía y la materia oscuras. No creo que el actual modelo estándar de la cosmología sea falso, aunque sí podemos mejorarlo para que los especialistas sigan cosechando sus Nobel.
“Las últimas mediciones nos dicen que el universo no solo se expande; además lo hace a una velocidad cada vez mayor”