Un innovador telescopio ha hecho un descubrimiento que cuestiona el actual mecanismo del universo

El gran físico ruso y premio Nobel Lev Landau afirmó en una ocasión que “los cosmólogos a menudo se equivocan, pero nunca dudan”. Al estudiar la propia historia del universo, siempre existe la posibilidad de que nos hayamos equivocado, pero nunca dejamos que esto se interponga en nuestras investigaciones.

Hace unos días, un comunicado de prensa anunciaba descubrimientos revolucionarios del Instrumento de Espectroscopia de la Energía Oscura (DESI), instalado en el telescopio Mayall de Arizona. Este vasto estudio, que contiene las posiciones de 15 millones de galaxias, constituye la mayor cartografía tridimensional del universo realizada hasta la fecha.

Para contextualizar, la luz de las galaxias más remotas registradas en el catálogo DESI fue emitida hace 11 000 millones de años, cuando el universo tenía aproximadamente una quinta parte de su edad actual.

Los investigadores de DESI estudiaron una característica de la distribución de las galaxias que los astrónomos denominan “oscilaciones acústicas de bariones”. Al compararlo con las observaciones del universo primitivo y las supernovas, han podido sugerir que la energía oscura –la misteriosa fuerza que impulsa la expansión de nuestro universo– no es constante a lo largo de la historia del universo.

Una visión optimista de la situación es que tarde o temprano se descubrirá la naturaleza de la materia y la energía oscuras. Los primeros atisbos de los resultados de DESI ofrecen al menos un pequeño resquicio de esperanza de lograrlo.

Sin embargo, eso podría no ocurrir. Podríamos buscar y no avanzar en la comprensión de la situación. Si eso ocurriera, tendríamos que replantearnos no sólo nuestra investigación, sino el propio estudio de la cosmología. Deberíamos encontrar un modelo cosmológico completamente nuevo, que funcione tan bien como el actual pero que también explique esta discrepancia. Ni que decir tiene que sería una tarea difícil.

Para muchas personas interesadas en la ciencia, se trata de una perspectiva apasionante y potencialmente revolucionaria. Sin embargo, este tipo de reinvención de la cosmología –y, de hecho, de toda la ciencia– no es nuevo, como se argumenta en el libro de 2023 The Reinvention of Science (La Reinvención de la Ciencia).

La búsqueda de dos números

Ya en 1970, Allan Sandage escribió un artículo muy citado en el que señalaba dos números que nos acercan a respuestas sobre la naturaleza de la expansión cósmica. Su objetivo era medirlos y descubrir cómo cambian con el tiempo cósmico. Son la constante de Hubble, H₀, y el parámetro de desaceleración, q₀.

El primero de estos dos números indica cómo de rápido se está expandiendo el universo. Es la constante de proporcionalidad que aparece en la Ley de Hubble-Lemaître, que viene a decir que las galaxias se alejan con velocidades proporcionales a la distancia que las separa del observador. El segundo es la firma de la gravedad: como fuerza atractiva, debería estar frenando la expansión cósmica. Algunos datos astronómicos han mostrado una ligera desviación de la Ley de Hubble-Lemaître, de la que el segundo número de Sandage, q₀, es una medida.

No se pudo encontrar ninguna desviación significativa esta ley hasta 1997, cuando el Proyecto Cosmológico de Supernovas de Saul Perlmutter y el Equipo de Búsqueda de SN de Alto-Z, dirigido por Adam Riess y Brian Schmidt, hicieron grandes avances. El objetivo de estos proyectos era buscar y estudiar la evolución del brillo de supernovas en galaxias muy lejanas.

Estos proyectos sí descubrieron una clara desviación de la simple línea recta de la Ley de Hubble-Lemaître (la constante de proporcionalidad), pero con una diferencia importante: la expansión del universo se está acelerando, no desacelerando. Perlmutter, Riess y Schmidt atribuyeron esta desviación a la constante cosmológica de Einstein, representada por la letra griega Lambda (Λ) y relacionada con el parámetro de desaceleración.

Su trabajo les valió el Premio Nobel de Física 2011.

Energía oscura: el 70 % del universo

Sorprendentemente, esta aportación de Lambda al inventario cósmico, también conocida como energía oscura, es la componente dominante del universo. Ha acelerado la expansión del universo hasta anular la fuerza de gravedad y representa casi el 70 % de la densidad total del cosmos.

Sabemos poco o nada sobre la constante cosmológica, Λ. De hecho, ni siquiera sabemos si es una constante. Einstein dijo por primera vez que existía un campo de energía constante cuando creó su primer modelo cosmológico derivado de la relatividad general en 1917, pero su solución no se expandía ni se contraía. Era estática e inmutable, por lo que el campo tenía que ser constante.

Construir modelos más sofisticados que contuvieran este campo constante fue una tarea más fácil: los derivó el físico belga Georges Lemaître, amigo de Einstein. Los modelos cosmológicos estándar actuales se basan en el trabajo de Lemaître y se denominan modelos Λ de materia oscura fría (ΛCDM).

Las mediciones de DESI por sí solas son completamente coherentes con este modelo. Sin embargo, al combinarlas con las observaciones del fondo cósmico de microondas y las supernovas, el modelo que mejor se ajusta es el de una energía oscura que evoluciona a lo largo del tiempo cósmico y que (potencialmente) dejará de ser dominante en el futuro. En resumen, esto significaría que la constante cosmológica no explica la energía oscura.

El Big Crunch

En 1988, el premio Nobel de Física 2019 P. J. E. Peebles escribió un artículo con Bharat Ratra sobre la posibilidad de que exista una constante cosmológica que varíe con el tiempo. Cuando publicaron este artículo, no existía ninguna opinión seria sobre Λ.

Se trata de una sugerencia atractiva. En este caso, la fase actual de expansión acelerada sería transitoria y terminaría en algún momento en el futuro. Otras fases de la historia cósmica han tenido un principio y un final: la inflación, la era dominada por la radiación, la era dominada por la materia, etcétera.

El dominio actual de la energía oscura podría, por tanto, declinar a lo largo del tiempo cósmico, lo que significaría que no sería una constante cosmológica. El nuevo paradigma implicaría que la expansión actual del universo podría acabar invirtiéndose en un “Big Crunch” o Gran Implosión.

Otros cosmólogos son más cautos y recogen el testigo de Carl Sagan, quien sabiamente dijo que “afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias”. Es crucial disponer de múltiples pruebas cosmológicas independientes que apunten a la misma conclusión. Aún no hemos llegado a ese punto.

Las respuestas pueden venir de alguno de los proyectos en curso –no sólo DESI, sino también Euclid y J-PAS– cuyo objetivo es explorar la naturaleza de la energía oscura mediante la cartografía de galaxias a gran escala.

Aunque el funcionamiento del cosmos es objeto de debate, una cosa es segura: se avecina una época fascinante para la cosmología.

Bernard J.T. Jones, Emeritus Professor, University of Groningen; Licia Verde, Profesor ICREA de Cosmologia en el ICCUB de la Universidad de Barcelona, Universitat de Barcelona; Vicent J. Martínez, Catedrático de Astronomía y Astrofísica de la Universitat de València, y miembro del Observatorio Astronómico de la misma institución, Universitat de València y Virginia L Trimble, Physics and Astronomy, University of California, Irvine

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