El universo se expande más rápido de lo esperado

La expansión del universo es hoy una de las mayores controversias en cosmología. ¿Qué está ocurriendo? ¿Se expande más rápido de lo esperado?

Ruth Lazkoz, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea

¿Café o té? ¿Beatles o Rolling Stones? Estamos condenados a no ponernos de acuerdo, ni siquiera en algo tan serio como la cosmología. En estos momentos somos testigos de una fuerte pugna entre las predicciones de dos grandes escuelas respecto al ritmo de expansión del universo. Nuevas mediciones indican que se expande mucho más rápido de lo esperado. Pero, ¿qué está pasando?

¿Nos toma el cosmos a broma al hablarnos de sí mismo? No le basta solo con asustarnos con lo de que se está expandiendo, sino que algunos datos que nos ofrece sugieren un ritmo de expansión distinto del de otros. Peor aún, la estadística avala un marcado desencuentro y lo convierte en un grave problema. Tomando un atajo aclaro ahora que esos valores discrepantes son los que proporcionan los observatorios Planck y Hubble.

Comencemos, ¿qué mide el telescopio espacial Hubble?

Podemos recordar lo que se siente al encender una fogata. Muy cerca casi quema, pero alejarnos nos alivia. Eso da una idea vaga de cómo medir distancias a las estrellas. Básicamente habría que identificar dos estrellas con las mismas características físicas y comparar la luz que nos llega de ellas. ¿Y cómo se relaciona esto con la expansión del universo?

La expansión del universo y la masa del panettone

Imaginemos la masa cruda de un panettone, que contiene pasas separadas entre sí (al menos en mi versión favorita). El calor del horno, hace crecer la masa obligando a que las pasas se separen unas de otras (y todas de todas). Pero, ¡ojo! el tamaño de ellas no cambia. Solo falta pensar que el panettone es el espacio-tiempo y las pasas las galaxias.

Al expandirse nuestro pannetoneverso (o universo representado por un pannetone) las pasas no se mueven de su posición inicial en la masa. Las que han cambiado han sido las distancias relativas entre unas pasas y otras. Dividiendo el ensanchamiento entre el tiempo de horneado logramos la velocidad de nuestras pasas, perdón, quiero decir, galaxias (guiño, guiño).

Ahora bien, ¿cómo medimos en cosmología lo rápido que se aleja de nosotros un astro? Pues recurriendo a una versión sofisticada del efecto Doppler: igual que una sirena de la policía suena más grave al alejarse, la luz de las astros se vuelve un poco más roja al distanciarse. Hace casi cien años que Edwin Hubble sorprendió al mundo mostrando que cuanto más lejos está una estrella más rápido se aleja. De esto se deduce, nada más y nada menos, que el universo se encuentra en expansión.

La distancia se liga con la velocidad de alejamiento a través de la (como no) llamada constante de Hubble. De acuerdo con la muy reciente estimación de su valor por el equipo liderado por el nobel Adam Riess, una estrella que se encuentra a 1 megaparsec de distancia se aleja a 73 km/s, y una el doble de lejana se aleja a 146 km/s (un año-luz es a un parsec aproximadamente lo que un pie es a un metro). Es decir, mirando más profundamente en el universo vemos crecer el ritmo de expansión con el tiempo. Por esto la expansión es además acelerada.

Los arcoíris que producen los astros

Hubble basó su trabajo en la espectroscopía: una lectura detallada de los arcoíris que producen los astros. Son series de franjas de distintos colores y anchuras propias de cada estrella (sus huellas dactilares), que por comparación indican corrimientos al rojo, es decir, disminución de la frecuencia de la luz del objeto al moverse a mayor velocidad.

Este pionero y sus sucesores debían conocer las distancias a las estrellas usadas. Pero, en general, medir distancias en astronomía es un trabajo arduo. Cuesta mucho obtener datos directos, y lo usual es recurrir a modelos físicos, generalmente construidos en base a variaciones de luminosidad. Así se obtiene la escalera cósmica de distancias. Esta una concatenación de métodos que arroja distancias a objetos lejanos basadas en objetos intermedios, apoyadas a su vez en las de objetos cercanos.

Planck exige replantear las ‘certezas’ sobre la expansión del universo

A grandes rasgos así fue como obtuvo el equipo de Riess usando el telescopio Hubble de forma muy precisa el valor actual de la constante homónima, en concreto apoyándose en tres peldaños de astros cercanos. Pero dicho valor no se puede conciliar estadísticamente con el arrojado por la colaboración Planck: 67 km/s/Mpc.

Este experimento con sus datos exquisitos habla de alteraciones muy pequeñas en el fondo cósmico de radiación de microondas impresas hace billones de años. Y a través de ellas nos informa de las proporciones y naturaleza de las distintas ingredientes de la sopa cósmica, esa con la que nuestro Universo se ha ido alimentando en distintas etapas.

En realidad en este campo se recurre a las ecuaciones de Einstein para ver cómo el antes influyó en el ahora. Es decir, reconstruimos el viaje de esa radiación a través de billones de años. Y en este puzzle, un pequeño error en un lugar se propaga a otro, como el famoso efecto mariposa. Por eso que hay que tratar con cautela la estimación del valor de la expansión que se obtiene de esos datos.

A nivel teórico somos muchos los que nos devanamos los sesos jugueteando con las ecuaciones de esa teoría a la que me acabo de referir, y que nos pone de nuevo en contacto con la idea de que tenemos que conocer la composición del Universo para estimar bien el valor de la constante de Hubble a día de hoy.

El efecto de la energía y la materia oscura

Los ingredientes principales de esa sopa que describe nuestro universo son la materia y la energía oscura, ricas sustancias que lo han hecho crecer como a una niña o niño. Y cualquier nutricionista nos dirá que la escasez o la mala calidad de la alimentación perjudica ese desarrollo. Se puede así entender que las variaciones en las cantidades de energía y materia oscuras en el Universo han determinado la separación entre sus galaxias en diferentes épocas. Y esto, recordemos, nos permite estimar cómo ha ido cambiando de talla nuestra criatura al ir creciendo.

Por supuesto, la solvencia de los grupos de investigación más granados en cosmología está fuera de duda. Son duelos de titanes. Ponerse del lado de Planck o Hubble es como escoger entre Lionel Messi y Cristiano Ronaldo. Ambos tienen muchas luces y también algunas sombras.

Las estrellas gigantes rojas dan un dato intermedio

Pero si en el fútbol ya asoman nuevas figuras para tomar el testigo, también encontramos otras opciones con mucho potencial en cosmología. En este caso la alternativa es conciliadora. Un reciente estudio que usa estrellas gigantes rojas se sitúa entre los dos contendientes sugiriendo 69,6 km/s/Mpc. Y si bien la precisión en la medida baja un poco, hay margen de mejora en tanto que la física de esas estrellas aún requiere desarrollo.

Quizá haya errores sistemáticos en el tratamiento numérico, quizá haya física inexplorada, quizá algunos de los planteamientos teóricos que se hacen sean algo burdos. Hay también quien usa otro tipo de estudios astrofísicos completamente distintos, por ejemplo las lentes gravitacionales, para acabar ofreciendo apoyo a un bando u otro.

Quizá el telescopio James Webb ayude a cerrar este debate, pero, mientras siga abierto, será un goce seguirlo en directo, mejor aún si contamos con palomitas y un buen sofá.

Ruth Lazkoz, Profesora de Física Teórica, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea

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