Por qué el universo se está moviendo de forma extraña

potm2403a 1

Y sin embargo, el universo se mueve de forma extraña

file 20240402 24 j2wy6d.jpg?ixlib=rb 1.1
Imagen de la galaxia NGC 5468, situada a 130 millones de años luz de la Tierra, obtenida con datos de los telescopios espaciales Hubble y James Webb. Contiene estrellas variables cefeidas que han permitido determinar con extraordinaria precisión la constante de Hubble. NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI).

Desde la más remota antigüedad y hasta comienzos del siglo XX, el ser humano concibió el universo como un ente estático, de tamaño constante, donde todo en su interior había existido desde siempre y para siempre. Las mentes más brillantes, desde Aristóteles hasta Newton, abrazaron esta concepción estática del cosmos, sin principio ni final.

Incluso Einstein defendió esta particular visión del universo, incluyendo en sus ecuaciones de la relatividad general un término de expansión (llamado constante cosmológica) para contrarrestar la atracción gravitatoria debida a toda la masa del universo. Así conseguía un cosmos estático e inmutable que no colapsaba.

Pero el universo está lejos de ser estático. En la década de 1920, Edwin Hubble comprobó experimentalmente la expansión del universo a partir del desplazamiento hacia el rojo de galaxias lejanas. Como consecuencia, la cosmovisión de Einstein y Newton se desmoronó por completo.

El universo se mueve. Está en expansión y, lo que es más, la expansión se está acelerando. Por esta contribución, Adam Riess recibió el premio Nobel de Física en 2011.

file 20240325 28 np5auk.jpg?ixlib=rb 1.1
Albert Einstein con Edwin Hubble (centro) y Walter Adams (derecha) en 1931, en el Observatorio Monte Wilson en California, mirando a través del telescopio de 100 pulgadas con el que Hubble descubrió la expansión del universo en 1929. California Institute of Technology.

Desde entonces, el principio cosmológico afirma que, para distancias espaciales suficientemente grandes, el universo es homogéneo e isótropo. Es decir, tiene las mismas propiedades en cualquier dirección de observación.

Sin embargo, actualmente no existe total consenso acerca de cómo se expande el universo.

Llegó la tensión de Hubble

El ritmo de expansión del universo se cuantifica mediante la constante de Hubble. No se trata precisamente de una constante, pues su valor ha ido cambiando dependiendo de la época del cosmos que consideremos.

La medición de este parámetro tan crucial en cosmología está actualmente en el centro de la controversia: dependiendo del método utilizado, su valor es diferente. Nos referimos a la denominada “tensión de Hubble”, un problema clave aún sin resolver.

Podría ser que, sencillamente, los investigadores estuvieran cometiendo errores sistemáticos en sus observaciones. Pero, con los modernos métodos de medición actuales, esta posibilidad se descarta casi por completo.

Una “escalera” de distancias cósmicas

Uno de los métodos para calcular la expansión del universo consiste en obtener, con extremada precisión, las distancias actuales de galaxias lejanas y las velocidades a las que se alejan de nosotros (velocidades de recesión).

Estas velocidades están relacionadas con el desplazamiento hacia el rojo, mientras que las distancias se miden mediante un proceso pormenorizado: una “escalera” de distancias cósmicas, donde se comienza con las galaxias cercanas (por ejemplo, la Gran Nube de Magallanes) para luego avanzar progresivamente hacia galaxias cada vez más lejanas.

file 20240324 18 9if61y.jpg?ixlib=rb 1.1
La constante de Hubble se puede calcular mediante diferentes fases o peldaños de la denominada escalera de distancias cósmicas. NASA, ESA, and A. Feild (STScI).

Para tal fin, los investigadores utilizan diferentes tipos de objetos astronómicos que presentan un brillo característico. Así, para galaxias muy lejanas se necesitan astros muy brillantes, destacando las supernovas de tipo Ia como los más empleados.

Por otro lado, para distancias más próximas, los marcadores más precisos son las estrellas variables cefeidas. Precisamente, Edwin Hubble se basó en su estudio para confirmar que Andrómeda se trataba de una galaxia distinta a nuestra Vía Láctea.

file 20240402 16 57906z.jpg?ixlib=rb 1.1
La estrella variable V1 en la Constelación de Andrómeda (parte inferior izquierda de la imagen). Se trata de la primera Cefeida hallada fuera de nuestra propia galaxia. Hubble, CC BY

Una vez conocidas las distancias y velocidades de recesión de las galaxias, la constante de Hubble se puede hallar a partir de una representación gráfica, que se ajusta bastante bien a una recta.

file 20240402 20 n959g4.png?ixlib=rb 1.1
Diagrama velocidad-distancia para un conjunto de datos registrados por el telescopio espacial Hubble. La pendiente del mejor ajuste lineal representa la constante de Hubble, unos 70 kilómetros/segundo/megapársec en este caso. NASA/ESA, CC BY

Así, en la gráfica superior, el mejor ajuste lineal a los datos arroja un valor de 70 kilómetros/segundo/megapársec, donde 1 megapársec (Mpc) equivale a unos 30 trillones de kilómetros. Esto significa que una galaxia situada actualmente a 1 Mpc de distancia se alejaría de nosotros a una velocidad de 70 km/s.

El James Webb confirma al telescopio espacial Hubble

Con anterioridad al telescopio espacial Hubble, las mediciones de la expansión del universo (realizadas mediante observatorios terrestres) presentaban grandes incertidumbres. Dependiendo de los valores obtenidos, el universo podría tener entre 10 y 20 mil millones de años.

Pero durante las últimas tres décadas, el Hubble ha reducido esta medición a una precisión menor que el 1 %, estableciendo una edad de universo en unos 13 800 millones de años.

Recientemente, un estudio basado en observaciones del telescopio espacial James Webb ha confirmado con más precisión aún los resultados previos del telescopio espacial Hubble.

Sin embargo, el valor del Hubble no concuerda con otros métodos de cálculo.

El fondo cósmico de microondas

En efecto, predicciones basadas en el modelo cosmológico de consenso Lambda-CDM, a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas por el satélite Planck de la ESA, concluyen un valor de 67.4 kilómetros/segundo/megapársec (frente a los 73 actuales obtenidos mediante calibración por estrellas cefeidas).

Una posible solución a este dilema sería considerar erróneas las observaciones del Hubble a distancias lejanas (debido, principalmente, a su limitada resolución estelar a estas escalas). Es entonces cuando entra en juego el James Webb, mostrando su enorme potencial en el infrarrojo.

file 20240324 30 q4f2rj.jpg?ixlib=rb 1.1
Comparación entre los telescopios espaciales James Webb (izquierda) y Hubble (derecha) donde se aprecian estrellas variables cefeidas con diferentes grados de resolución. NASA, ESA, CSA, STScI, A. Riess (JHU/STScI).

El Webb dice que el telescopio espacial Hubble acierta. Pero los datos que llegan del fondo cósmico de microondas no concuerdan con los anteriores.

La tensión de Hubble continúa

Aunque estas diferencias puedan parecer pequeñas, una discrepancia de 2 km/s/Mpc implica que podría faltar algo importante en nuestra comprensión actual del universo.

Según Adam Riess, autor principal del estudio, “una vez resueltos los errores de medición, lo que queda es la posibilidad real y emocionante de que hayamos entendido mal el universo”. En otras palabras, se necesitaría modificar el modelo cosmológico Lambda-CDM para una mejor descripción de la evolución del universo primitivo hasta nuestros días.

El universo, indiscutiblemente, no es estático. Pero aún queda bastante recorrido para comprender su extraña forma de moverse.The Conversation

Óscar del Barco Novillo, Profesor asociado. Departamento de Física (área de Óptica)., Universidad de Murcia

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.