¿Qué fuerzas han estado jugando con el universo?

5 marzo 2019

Los viejos modelos de la astrofísica ahora provocan confusiones cósmicas, y los científicos están buscando nuevas partículas y mediciones para parchar un hoyo en nuestro conocimiento del universo.

Por Dennis Overbye | Se siente, podría decirse, una perturbación en la Fuerza.

Hace mucho mucho tiempo, cuando el universo solo tenía unos 100.000 años —era una bulliciosa masa de radiación y partículas en expansión—, se encendió un campo de energía nuevo y extraño. Esa energía llenó el espacio con una especie de antigravedad cósmica, lo que resultó un estímulo algo abrupto para la expansión del universo.

Después de otros 100.000 años, más o menos, ese nuevo campo sencillamente se apagó, sin dejar más vestigio que un universo acelerado.

Eso cuenta la extraña historia que divulgan unos cuantos astrónomos de la Universidad Johns Hopkins. En un salto audaz y especulativo respecto al pasado, este equipo ha planteado la existencia de ese campo con el fin de explicar un acertijo astronómico: parece que el universo se está expandiendo más rápido de lo que debería.

El cosmos se está expandiendo solo nueve por ciento más rápido de lo que indica la teoría. Pero esta discrepancia aparentemente pequeña ha fascinado a los astrónomos, quienes creen que tal vez esté revelando algo nuevo sobre el universo.

Así que se han estado reuniendo durante los últimos años en talleres y convenciones para buscar algún error o deficiencia en sus mediciones y cálculos anteriores, lo que hasta ahora no ha dado frutos.

“Si tomamos en serio la cosmología, este es el tipo de cosas que debemos tomar en serio”, dijo Lisa Randall, teórica de la Universidad de Harvard que estudia el problema.

Algunas ideas han empezado a surgir. Investigadores señalan que el problema se podría resolver con el supuesto de que existen partículas subatómicas anteriormente desconocidas. Otros, como el grupo de Johns Hopkins, han propuesto los nuevos tipos de campos de energía.

O tal vez todo se deba a un error. Los astrónomos poseen métodos rigurosos para calcular los efectos del ruido estadístico y otros errores aleatorios sobre sus resultados, pero no así para los posibles sesgos no estudiados o conocidos, llamados errores sistemáticos.

Un problema constante

Varias generaciones de grandes astrónomos han fracasado al tratar de medir el universo. Está en debate un número: la llamada constante de Hubble, que fue nombrada así por Edwin Hubble, el astrónomo que en 1929 descubrió que el universo estaba en expansión.

A medida que se expande el espacio, aleja a las galaxias unas de las otras como si fueran las chispas de un pastel que se está inflando. Cuanto más alejadas estén dos galaxias, más rápido se distanciará una de la otra. La constante de Hubble simplemente nos dice a qué velocidad.

Edwin Hubble en 1949, dos décadas después de que descubrió que el universo se está expandiendo.

Sin embargo, a fin de calibrar la constante de Hubble, los astrónomos dependen de objetos, como las explosiones de supernovas y ciertas estrellas variables, cuyas distancias pueden calcularse por la luminosidad o alguna otra característica. Y ahí comienza el debate.

Hasta hace algunas décadas, los astrónomos no se ponían de acuerdo sobre el valor de la constante de Hubble: calculaban 50 o 100 kilómetros por segundo por megaparsec (megaparsec=3,26 millones de años luz).

No obstante, en 2001, un equipo que empleaba el telescopio espacial Hubble informó de un valor de 72: por cada megaparsec que una galaxia está más alejada de nosotros, se está moviendo 72 kilómetros por segundo más rápido.

La nueva precisión ha traído nuevos problemas. Estos resultados son tan buenos que ahora difieren de los resultados que la nave espacial europea Planck, que predijo una constante de Hubble de 67.

Los expertos creen que, posiblemente, la diferencia de nueve por ciento sea solo por cómo se hacen las mediciones: la constante de Hubble de Planck se basa en una imagen temprana del cosmos; el valor astronómico clásico se deriva de lo que los cosmólogos humildemente llaman “mediciones locales”, unos cuantos miles de millones de años luz más adelante en un universo de mediana edad.

¿Qué tal si esa imagen temprana omitió u ocultó alguna característica importante del universo?

Juegos cosmológicos

Así pues, los cosmólogos están intentando ajustar el modelo del universo temprano, a fin de que comprenda la expansión algo más rápida sin eliminar lo que el modelo sí logra de manera eficaz.

Algunos astrofísicos sugieren que un método es considerar que en el universo temprano había más especies de partículas subatómicas de peso ligero, como los neutrinos. Con ellos, el universo tendría más espacio para almacenar energía, de la misma forma en que más cajones de una cómoda permitirían que hubiera más pares de calcetines. Entonces, de acuerdo con las matemáticas usadas para contemplar el Big Bang o Gran Explosión, el universo revitalizado se expandiría más rápido y, con suerte, no se pondría en duda la imagen temprana.

Una propuesta más drástica recurre a campos de energía antigravitacional exótica. Esta idea aprovecha un aspecto de la teoría de cuerdas, la “teoría del todo” (aún no comprobada), la cual plantea que los constituyentes elementales de la realidad son cuerdas diminutas que se retuercen.

La teoría de cuerdas sugiere que el espacio podría estar lleno de campos de energía exótica vinculados a partículas de peso ligero o fuerzas aún no descubiertas. Esos campos, llamados en su conjunto quintaesencia, podrían actuar en contra de la gravedad y podrían cambiar con el tiempo; surgir, deteriorarse o alterar su efecto, como pasar de repulsión a atracción.

El equipo de la Universidad Johns Hopkins se ha concentrado en especial en los efectos de campos relacionados con partículas hipotéticas llamadas axiones. En un artículo de 2018, el equipo indicó que si uno de estos campos hubiera aparecido cuando el universo tenía aproximadamente 100.000 años, habría podido producir justo la cantidad exacta de energía para corregir la discrepancia en la constante de Hubble. Se refieren a esta fuerza teórica como “energía oscura temprana”.

“Me sorprendió cómo surgió”, comentó Marc Kamionkowski, un cosmólogo de Johns Hopkins que participó en el estudio. “Esto funciona”.

Pero todavía no se ha llegado a una conclusión. Adam G. Riess, del centro de astrofísica Space Telescope Science Institute, que supervisa el Hubble, comentó que la idea funciona, pero que eso no quiere decir que él esté de acuerdo con ella o que sea correcta. La naturaleza, que se manifestará en futuras observaciones, tendrá la última palabra.

Michael Turner, cosmólogo de la Universidad de Chicago, dijo: “Claro que todo esto sigue más allá de nuestra comprensión. Estamos confundidos, pero ¡esperamos que la confusión nos lleve a encontrar algo bueno!”.

¿El día del juicio final?

La energía oscura temprana es atractiva para algunos cosmólogos porque sugiere un vínculo con dos episodios misteriosos en la historia del universo, o entre ellos.

Trabajos en el telescopio Planck en 2009

El primer episodio ocurrió cuando el universo tenía menos de una billonésima de una billonésima parte de un segundo de edad. Los cosmólogos han postulado que en ese momento una “inflación” violenta dio origen a la Gran Explosión; en una fracción de una billonésima parte de un segundo, este evento arregló y niveló el caos inicial y lo convirtió en el universo más ordenado que observamos actualmente. Nadie sabe qué lo accionó.

El segundo episodio se está desarrollando hoy en día: la expansión cósmica que se está acelerando. Pero ¿por qué? El tema salió a la luz en 1998, cuando dos equipos rivales de astrónomos se preguntaron si la gravedad colectiva de las galaxias estaría desacelerando la expansión lo suficiente como para que algún día arrastrara todo hacia una “gran implosión”.

Sorpresivamente, descubrieron lo contrario: la expansión se estaba acelerando por la influencia de una fuerza antigravitacional que posteriormente se llamó energía oscura. Ambos equipos ganaron el Premio Nobel.

La energía oscura comprende el 70 por ciento de la energía-masa del universo. Bajo la influencia de la energía oscura, ahora el cosmos está aumentando su tamaño al doble cada diez mil millones de años. Nadie sabe con qué fin.

Por lo que la energía oscura temprana señalada por los investigadores de Johns Hopkins no sería más que un tercer episodio de antigravedad. “¿Quizá el universo solo hace esto de vez en cuando?”, señaló Reiss.

Si esa energía oscura permanece constante, todo lo que está fuera de nuestra galaxia, a la larga, se alejará de nosotros más rápido que la velocidad de la luz y dejará de ser visible. El universo se volverá inerte y completamente oscuro.

Pero si la energía oscura es temporal —si es posible que algún día deje de inflar el universo— entonces los cosmólogos y los metafísicos podrán regresar a contemplar la posibilidad del mañana. “Una característica interesante de esto es que quizá haya un futuro para la humanidad”, señaló Scott Dodelson, teórico en la Universidad Carnegie Mellon que ha analizado escenarios similares.

El cosmos fantasma

Sin embargo, el futuro aún es incierto.

Lejos de apagarse, la energía oscura que hay actualmente en el universo en realidad ha aumentado durante el tiempo cósmico, según un informe reciente de Nature Astronomy. Si esto sigue así, el universo podría terminar algún día en lo que los astrónomos llaman el Gran Desgarramiento, en el que los átomos y las partículas elementales se desgarrarían en pedazos, tal vez la mayor catástrofe cósmica posible.

Este funesto panorama surge del trabajo de Guido Risaliti, de la Universidad de Florencia, en Italia, y de Elisabeth Lusso, de la Universidad de Durham, en Inglaterra. Durante los últimos cuatro años, ellos han dilucidado la historia profunda del universo al usar como marcadores de distancia a los fenómenos cataclísmicos llamados cuásares.

Los cuásares surgen de agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias; son los objetos más brillantes de la naturaleza y pueden verse con claridad por todo el universo. Los cuásares no son ideales como luces de medición para la constante de Hubble, porque su masa varía mucho. No obstante, los investigadores identificaron algunas regularidades en las emisiones de los cuásares, lo que permitió rastrear la historia del cosmos hasta casi 12.000 millones de años atrás. El equipo de Risaliti y Lusso descubrió que el índice de expansión cósmica se desviaba de las expectativas a lo largo de ese espacio de tiempo.

Una interpretación de estos resultados es que la energía oscura no es constante, sino que está cambiando, volviéndose más densa y, por tanto, más fuerte a lo largo del tiempo cósmico. Entonces sucede que este aumento de la energía oscura también sería suficiente para resolver la discrepancia en las mediciones de la constante de Hubble.

La mala noticia es que, si este modelo es correcto, la energía oscura podría tener una forma especialmente virulenta —y, según la mayoría de los físicos, poco probable— llamada energía fantasma. Su existencia implicaría, por ejemplo, que las cosas pueden perder energía al acelerarse. Robert Caldwell, físico de Dartmouth, se ha referido a esto como “mal agüero”.

A medida que el universo se expande, la presión de la energía fantasma crecería sin límites y finalmente superaría la gravedad; desgarraría primero la Tierra y luego los átomos.

Los astrónomos han estado intentando medir esta energía oscura posiblemente fantasma durante dos décadas. Se han diseñado dos misiones espaciales —Euclid, de la Agencia Espacial Europea, y Wfirst, de la NASA— para estudiarla y, con suerte, dar respuestas definitivas en la década siguiente.

Mientras tanto, dijo Reiss, todo —hasta la energía fantasma— debe considerarse posible. El futuro del universo está en juego.