Un equipo internacional de astrónomos reveló el miércoles la evidencia más convincente hasta la fecha de que la energía oscura, un fenómeno misterioso que empuja a nuestro universo a expandirse cada vez más rápido, no es una fuerza constante de la naturaleza, sino que fluctúa a lo largo del tiempo cósmico.
La última medición sugiere que la energía oscura no condenará a nuestro universo a ser desgarrado en todas las escalas, desde cúmulos de galaxias hasta núcleos atómicos. En cambio, su expansión podría disminuir, dejando eventualmente el universo estable. O incluso el cosmos podría revertir su curso, eventualmente condenado a un colapso al que los astrónomos se refieren como el Gran Colapso.
Los últimos resultados refuerzan una pista tentadora del pasado abril de que algo estaba mal con el modelo estándar de la cosmología, la mejor teoría de los científicos sobre la historia y la estructura del universo. Las mediciones, del año pasado y de este mes, provienen de una colaboración que opera el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, o DESI, en un telescopio en el Observatorio Nacional de Kitt Peak en Arizona.
“Es un poco más que una pista ahora”, dijo Michael Levi, un cosmólogo del Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley y director de DESI. “Nos pone en conflicto con otras mediciones”, agregó el Dr. Levi. “A menos que la energía oscura evolucione, entonces, vaya, todos los patos se alinean en fila”.
El anuncio se hizo en una reunión de la Sociedad Americana de Física en Anaheim, California, y fue acompañado por un conjunto de artículos que describen los resultados, que se están enviando para revisión por pares y publicación en la revista Physical Review D.
“Es justo decir que este resultado, tomado tal como está, parece ser la mayor pista que tenemos sobre la naturaleza de la energía oscura en los ~25 años desde que la descubrimos”, escribió en un correo electrónico Adam Riess, un astrofísico de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, quien no estuvo involucrado en el trabajo, pero compartió el Premio Nobel de Física de 2011 por descubrir la energía oscura.
Pero incluso cuando las observaciones de DESI desafiaron el modelo estándar de la cosmología, un resultado separado lo ha reforzado. El martes, el equipo multinacional que dirigió el Telescopio de Cosmología de Atacama en Chile lanzó las imágenes más detalladas jamás tomadas del universo infantil, cuando tenía apenas 380,000 años de edad. (Ese telescopio fue dado de baja en 2022).
Su informe, que aún no ha sido revisado por pares, parece confirmar que el modelo estándar estaba funcionando según lo esperado en el universo temprano. Un elemento de ese modelo, la constante de Hubble, describe qué tan rápido se está expandiendo el universo, pero durante el último medio siglo las mediciones de la constante han discrepado notablemente, una inconsistencia conocida como la tensión de Hubble. Los teóricos han sugerido que tal vez un impulso adicional de energía oscura en el universo muy temprano, cuando las condiciones eran demasiado calientes para que se formaran átomos, podría resolver esta tensión.
Los últimos resultados de Atacama parecen descartar esta idea. Pero no dicen nada sobre si la naturaleza de la energía oscura podría haber evolucionado más tarde en el tiempo.
Ambos informes evocaron elogios efusivos de otros cosmólogos, quienes al mismo tiempo confesaron una confusión cósmica sobre lo que todo esto significaba.
“No creo que quede mucho en pie en cuanto a buenas ideas sobre lo que podría explicar la tensión de Hubble en este momento”, dijo Wendy Freedman, una cosmóloga de la Universidad de Chicago que ha pasado su vida midiendo el universo y no estuvo involucrada en ninguno de los estudios.
Michael Turner, un teórico de la Universidad de Chicago, quien tampoco estuvo involucrado en los estudios, dijo: “La buena noticia es que no hay grietas en el huevo cósmico. La mala noticia es que no hay grietas en el huevo cósmico”.
El Dr. Turner, quien acuñó el término “energía oscura”, agregó que si hubiera una grieta, “no se ha abierto lo suficiente, todavía, como para ver claramente la próxima gran cosa en cosmología”.
Los astrónomos a menudo comparan las galaxias en un universo en expansión con pasas en un pastel horneado. A medida que la masa sube, las pasas se alejan más. Cuanto más lejos estén unas de otras, más rápido se separan.
En 1998, dos grupos de astrónomos midieron la expansión del universo estudiando la luminosidad de un cierto tipo de supernova, o estrella en explosión. Estas supernovas generan la misma cantidad de luz, por lo que parecen predeciblemente más tenues a mayores distancias. Si la expansión del universo se estuviera desacelerando, como creían los científicos en ese momento, la luz de las explosiones lejanas debería haber aparecido ligeramente más brillante de lo previsto.
Para su sorpresa, los dos grupos encontraron que las supernovas eran más tenues de lo esperado. En lugar de desacelerarse, la expansión del universo en realidad se estaba acelerando.
Ninguna energía conocida por los físicos puede impulsar una expansión acelerada; su fuerza debería disminuir a medida que se extiende cada vez más delgadamente por un universo en expansión. A menos que esa energía provenga del espacio mismo.
Esta energía oscura tenía todas las características de un factor de corrección que Albert Einstein insertó en su teoría de la gravedad en 1917 para explicar por qué el universo no se estaba colapsando bajo su propio peso. El factor de corrección, conocido como la constante cosmológica, representaba una especie de repulsión cósmica que equilibraría la gravedad y estabilizaría el universo, o eso pensaba él. En 1929, cuando quedó claro que el universo se estaba expandiendo, Einstein abandonó la constante cosmológica, llamándola su mayor error.
Pero era demasiado tarde. Una característica de la teoría cuántica ideada en 1955 predice que el espacio vacío está lleno de energía que produciría una fuerza repulsiva similar al factor de corrección de Einstein. Durante el último cuarto de siglo, esta constante ha sido parte del modelo estándar de la cosmología. El modelo describe un universo nacido hace 13.8 mil millones de años, en una chispa colosal conocida como el Big Bang, y compuesto por un 5% de materia atómica, un 25% de materia oscura y un 70% de energía oscura. Pero el modelo no dice qué son realmente la materia oscura ni la energía oscura.
Si la energía oscura realmente es la constante de Einstein, el modelo estándar augura un futuro sombrío: el universo seguirá acelerándose, para siempre, volviéndose más oscuro y solitario. Las galaxias distantes eventualmente estarán demasiado lejos para verlas. Toda la energía, la vida y el pensamiento serán absorbidos del cosmos.
“Algo por lo que luchar”
Los astrónomos del equipo de DESI están tratando de caracterizar la energía oscura mediante el estudio de galaxias en diferentes eras del tiempo cósmico. Las pequeñas irregularidades en la distribución de la materia a lo largo del universo primordial han influido en las distancias entre galaxias hoy en día, distancias que se han expandido, de manera medible, junto con el universo.
Los datos utilizados para la última medición de DESI consistieron en un catálogo de casi 15 millones de galaxias y otros objetos celestes. Por sí solo, el conjunto de datos no sugiere que algo esté mal con la comprensión teórica de la energía oscura. Pero combinado con otras estrategias para medir la expansión del universo, por ejemplo, estudiando estrellas en explosión y la luz más antigua del universo, emitida unos cien mil años después del Big Bang, los datos ya no coinciden con lo que predice el modelo estándar.
La discrepancia entre los datos y la teoría es de hasta 4.2 sigma (en las unidades de incertidumbre preferidas por los físicos), lo que representa una posibilidad entre 50,000 de que los resultados sean una casualidad. Pero la falta de coincidencia aún no alcanza los cinco sigma (equivalente a una posibilidad entre 3.5 millones), el estándar estricto establecido por los físicos para afirmar un descubrimiento.
Sin embargo, la desconexión es sugestivamente indicativa de que algo en el modelo cosmológico no se comprende bien. Los científicos podrían necesitar revisar cómo interpretan la gravedad o dar sentido a la antigua luz del Big Bang. Los astrónomos de DESI piensan que el problema podría ser la naturaleza de la energía oscura.
“Si introducimos una energía oscura dinámica, entonces las piezas del rompecabezas encajan mejor”, dijo Mustapha Ishak-Boushaki, un cosmólogo de la Universidad de Texas en Dallas que ayudó a liderar el último análisis de DESI.
Will Percival, un cosmólogo de la Universidad de Waterloo en Ontario y portavoz de la colaboración de DESI, expresó entusiasmo por lo que se avecina. “Esto es en realidad un poco de energía para el campo”, dijo. “Ahora tenemos algo por lo que luchar”.
En la década de 1950, los astrónomos afirmaban que solo se necesitaban dos números para explicar la cosmología: uno relacionado con la rapidez con la que se expandía el universo y otro que describía su desaceleración, o cuánto se estaba ralentizando esa expansión. Las cosas cambiaron en la década de 1960, con el descubrimiento de que el universo estaba bañado en luz del Big Bang, conocida como la radiación cósmica de fondo en microondas. Medir esta radiación de fondo permitió a los científicos investigar la física del universo temprano y la forma en que posteriormente se formaron y evolucionaron las galaxias. Como resultado, el modelo estándar de la cosmología ahora requiere seis parámetros, incluida la densidad tanto de la materia ordinaria como de la materia oscura en el universo.
A medida que la cosmología se ha vuelto más precisa, han surgido tensiones adicionales entre los valores predichos y medidos de estos parámetros, lo que ha llevado a una profusión de extensiones teóricas del modelo estándar. Pero los últimos resultados del Telescopio de Cosmología de Atacama, los mapas más claros hasta la fecha del fondo cósmico de microondas, parecen cerrar la puerta a muchas de estas extensiones.
DESI continuará recolectando datos durante al menos otro año. Otros telescopios, en tierra y en el espacio, están trazando sus propias visiones del cosmos; entre ellos se encuentran el Zwicky Transient Facility en San Diego, el telescopio espacial europeo Euclid y la misión SPHEREx de la NASA recientemente lanzada. En el futuro, el Observatorio Vera C. Rubin comenzará a grabar una película del cielo nocturno desde Chile este verano, y el Telescopio Espacial Roman de la NASA está programado para ser lanzado en 2027.
Cada uno absorberá la luz del cielo, midiendo piezas del cosmos desde diferentes perspectivas y contribuyendo a una comprensión más amplia del universo en su conjunto. Todos sirven como recordatorios continuos de lo difícil que es romper el huevo cósmico.
“Cada uno de estos conjuntos de datos tiene sus propias fortalezas”, dijo Alexie Leauthaud, una cosmóloga de la Universidad de California en Santa Cruz y portavoz de la colaboración de DESI. “El universo es complicado. Y estamos tratando de desentrañar muchas cosas diferentes”.