Los cosmólogos a menudo se equivocan, pero nunca dudan

«Un tentador ‘indicio’ de que los astrónomos se equivocaron con la energía oscura» es el titular del artículo publicado hace unas semanas en The New York Times por Dennis Overbye, reputado periodista científico y autor del bestseller de la década de los noventa Corazones solitarios en el cosmos. Conectando con ese titular, los autores del presente artículo, hemos tomado una cita atribuida al físico ruso Lev Landau «Cosmologists are often in error, but never in doubt» («Los cosmólogos a menudo se equivocan, pero nunca dudan») para titular el nuestro. Aunque nos inclinamos a pensar que tarde o temprano se descubrirá la naturaleza de la materia oscura y de la energía oscura, sería posible que esto finalmente no suceda y, en ese caso, sería necesario repensar la cosmología para poder explicar las observaciones astronómicas actuales sin necesidad de recurrir a estos misteriosos componentes. Nuestra visión es que la materia oscura es un abreviatura o un sumario de un enorme número de observaciones que indican que la gravedad se debilita menos rápidamente que la inversa de la distancia al cuadrado a escalas de distancias muy grandes, desde los discos de las galaxias espirales, pasando por los cúmulos de galaxias, hasta el universo en su conjunto.

El artículo de Overbye comentaba la noticia de prensa que acompañaba el anuncio de los primeros resultados del proyecto DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument) en los que se analizan las posiciones de 40 millones de galaxias en el mayor cartografiado tridimensional del universo hasta la fecha. La luz de las galaxias más remotas del catálogo de DESI se emitió hace 11 000 millones de años, cuando el universo tenía 1/5 de su edad actual. El estudio de una característica en la distribución de galaxias que los astrónomos llaman oscilaciones acústicas de bariones es lo que ha llevado a los investigadores del DESI a sugerir la posibilidad de que la energía oscura no sea constante a lo largo de la historia del universo. Este comentario ha llevado a muchos medios a titulares excesivos o grandilocuentes, como el que reproducíamos en la primera frase de este artículo.

Pero vayamos por partes.

La expansión del universo

Edwin Powell Hubble y sus colaboradores, hace apenas 100 años, fueron los primeros en desvelar que el universo es más o menos uniforme en todas las direcciones y hasta donde los telescopios podían observar. Pero también descubrieron que todo el sistema de galaxias se estaba expandiendo. En realidad, encontraron una relación entre la velocidad de recesión de las galaxias y su distancia, donde las velocidades (para galaxias fuera del Grupo Local) las había medido, con excelente precisión, Vesto Melvin Slipher y las distancias, con un error considerable, Hubble, haciendo uso del periodo de variabilidad de las estrellas cefeidas, un método para estimar distancias descubierto por la astrónoma del Observatorio de Harvard Henrietta Swan Leavitt en 1912.  La relación entre la velocidad y la distancia fue rápidamente interpretada por muchos (¡no por Hubble!) como una clara evidencia de que el universo se está expandiendo.

Aquel fue uno de los mayores descubrimientos científicos de todos los tiempos: el equivalente moderno a la revolución copernicana. A partir de ese momento, los astrónomos empezaron a cuantificar cuánto se expande y a qué ritmo lo hace, hasta establecer la tasa actual de expansión cósmica. Conociendo estos datos, es posible poner fecha a su origen y contar la historia implícita del universo.

La búsqueda de dos números

El universo es grande, antiguo e irregular. Durante gran parte del siglo pasado, físicos, astrónomos y cosmólogos han utilizado la teoría general de la relatividad de Einstein y han llevado a cabo observaciones cosmológicas para tratar de averiguar lo grande, lo antiguo y lo irregular que es, además de dilucidar si la expansión cósmica continuará para siempre o se revertirá y aplastará a nuestros remotos descendientes.

En 1970, el fallecido astrónomo Allan Sandage escribió un artículo muy citado señalando dos números que nos acercan a las respuestas a estas preguntas, en caso de que podamos medirlos y conocer cómo cambian con el tiempo cósmico. Esos números son la constante de Hubble, H₀, y el parámetro de deceleración, q₀.

El primero de estos dos números indica cómo de rápido se está expandiendo el universo. Se denota por H₀ (por Hubble, quien reunió los primeros datos para obtener su valor). Los astrónomos lo miden en unidades un tanto extrañas (kilómetros por segundo por megaparsec, abreviado como km/s/Mpc).

Pero a día de hoy tenemos dos formas para determinar la tasa de expansión cósmica actual. El método directo se basa en medir la velocidad de recesión y la distancia a la que se encuentran un gran número de galaxias. La Ley de Hubble-Lemaître indica que su cociente es la constante de Hubble. Si el valor para H₀ obtenido de este modo por Hubble hubiera sido correcto, el universo tendría una edad de solo unos dos mil millones de años: ¡sería más joven que la Tierra y que muchas estrellas!

Desde que se enunció hasta el presente, la relatividad general se ha mantenido firme, mientras que la interpretación de las observaciones, en gran parte por el trabajo iniciado por Sandage, ha permitido incrementar notablemente las distancias estudiadas y, en consecuencia, también la escala de tiempo cósmico abarcada.

La tensión de Hubble

A quienes recordamos «los viejos tiempos», cuando H₀ era 50 o 100 y las edades del universo 20 o 10 mil millones de años, nos alivió ver cómo en 2002 H₀ se asentaba en torno a 72 km/s/Mpc según los resultados del proyecto clave del HST liderado por Wendy Freedman. Como consecuencia, la edad del universo quedaba en torno a 13 800 millones de años. El valor actual obtenido por el premio Nobel de Física de 2011 Adam Riess y sus colegas usando este método es H₀ = 73,0 ± 1,0 km/s/Mpc.

Pero, como anunciamos, existe un segundo método para obtener el valor de H₀. Se puede inferir con mucha precisión del análisis detallado de los mapas del fondo cósmico de microondas (CMB por sus siglas en inglés), la radiación remanente del Big Bang que comenzó a viajar hace unos 13 800 millones de años.

Los datos adquiridos por los equipos científicos de los satélites Planck y WMAP se han analizado, en combinación con otros datos cosmológicos, para obtener los valores de diferentes parámetros que describen nuestro universo. Estos valores para los parámetros definen lo que actualmente conocemos como el modelo cosmológico estándar. Lo que hacen los cosmólogos con estos datos es determinar el estado del universo poco después del Big Bang y, haciendo uso del modelo cosmológico, predecir lo que valdrá hoy la constante de Hubble. El valor estimado con este método es H₀ = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc.

Al mejorar las técnicas de observación, las barras de error de ambos métodos han ido reduciéndose. Y al hacerse más precisas las dos formas de medir H₀ han comenzado a proporcionar valores significativamente diferentes. A esta discrepancia se le llama «tensión de Hubble»: algo no encaja.

La constante cosmológica

Algunos de los parámetros obtenidos tanto en el análisis de la radiación cósmica de fondo como en el de la distribución de galaxias están relacionados con el segundo de los números de Sandage, entonces llamado parámetro de desaceleración. Este parámetro depende de la densidad de los diferentes componentes del universo: la materia visible y la materia oscura contribuyen ambas positivamente al parámetro de desaceleración, ya que la gravedad es atractiva y actúa obviamente desacelerando la expansión cósmica; la energía oscura, postulada hace unos 25 años a partir del estudio de las supernovas distantes, actuaría por el contrario como una gravedad repulsiva, siendo la responsable de la aceleración en la expansión del universo: contribuiría, por tanto, negativamente al parámetro de desaceleración. Como la densidad de energía oscura es dominante en el inventario cósmico, el resultado final es un valor negativo para q₀ (en torno a -0,53). 

En el modelo cosmológico estándar, la energía oscura se asocia a un término constante que introdujo Einstein en sus ecuaciones cosmológicas para conseguir un universo estático. Es la segunda constante de integración de las ecuaciones de Einstein para un universo homogéneo e isótropo. Se suele representar con la letra griega Λ, por lo que al modelo se le designa como ΛCDM (de Cold Dark Matter o materia oscura fría).  Conviene recalcar que muchas de las medidas de DESI son completamente consistentes con este modelo, pero podría ocurrir que la constante cosmológica no fuese la respuesta correcta a la energía oscura. Esta es la posibilidad que se desprende de una ligera desviación en los datos de DESI, es decir, podría suceder que la energía oscura evolucionara con el tiempo cósmico y dejara de ser dominante en el futuro.

Esto resulta atractivo para algunos cosmólogos, ya que en este caso la fase de expansión acelerada actual sería transitoria y terminaría en algún momento del futuro, como apuntaba el cosmólogo indio Varun Sahni en Facebook: así ha sucedido con otras fases en la historia del universo desde el Big Bang hasta nuestros días, han tenido un inicio y un final: la inflación, la era dominada por la radiación, la era dominada por la materia, etc. No es extraño pues que el cosmólogo que acuñó el término «energía oscura», el profesor emérito de la Universidad de Chicago, Michael Turner, afirmara que «la posible evidencia [que apunta DESI] de que la energía oscura no sea constante en el tiempo es la mejor noticia que he escuchado desde que la aceleración cósmica quedó firmemente establecida hace más de 20 años». Otros, como John Peacock, profesor de Cosmología de la Universidad de Edimburgo, creen, sin embargo, que la actitud correcta es ser más escépticos y apostar por la hipótesis tranquila de que las cosas acabarán coincidiendo cuando se comprendan mejor los datos. Proyectos como DESI, Euclid o J-PAS (llevado a cabo por el Observatorio Astrofísico de Javalambre) tratan de explorar la naturaleza de la energía oscura mediante grandes cartografiados de galaxias.

Entra el telescopio espacial James Webb

Pero volvamos a la tensión de Hubble: un estudio reciente, escrito por Adam Riess y colaboradores, ha agitado esta polémica. En muchos medios se ha hecho hincapié en que el artículo de Riess mantiene y refuerza la tensión de Hubble. Pero la opinión de algunos astrónomos es que sus resultados son tan robustos que con ellos la tensión desaparece para dar lugar a una profunda crisis del modelo cosmológico, el que nos sirve para explicar el cosmos. El cosmos tal y como nos lo contamos.

El artículo utiliza datos sobre la expansión del universo obtenidos por el telescopio espacial James Webb, que confirman los resultados previamente obtenidos por el telescopio espacial Hubble (HST) sobre el valor de la constante de Hubble.

Para encontrar la solución, o bien se invoca a nueva física que modifique la relatividad general (que funciona tremendamente bien en todo lo demás) o bien se argumenta que algunos de los dos conjuntos de observaciones (o su interpretación) sea incorrecto. O, por supuesto, todas esas cosas a la vez.

Algo más profundo

La visión conservadora es que cualquier posible explicación debería caer dentro del marco de nuestro modelo cosmológico estándar. Podría ocurrir que la calibración de los patrones de luminosidad empleados para determinar las distancias (variables cefeidas, supernovas de tipo Ia) utilizadas en el método directo de medir H₀  necesitaran correcciones que actuarían acercando el valor medido al estimado con el CMB. Los datos de DESI alivian solo ligeramente la tensión, proporcionando en el marco del modelo estándar un valor intermedio, pero más próximo al del CMB: H₀ = 68,53 ± 0,8 km/s/Mpc. Su estimación no cambia sustancialmente con el modelo en el que la energía oscura evoluciona, aunque como en este caso los errores se incrementan, la tensión consecuentemente se relaja.

También podría ocurrir que todavía no entendamos completamente las implicaciones de la estructura a gran escala en la que estamos inmersos, el supercúmulo de Laniakea, así como nuestra proximidad al Vacío Local.

Si finalmente no se confirmara una explicación tan plausible, nos enfrentaríamos a la posibilidad de que nuestro modelo estándar necesitara una profunda revisión. Y esta es una apasionante oportunidad para la especulación.

En una revisión reciente, Licia Verde y sus colaboradores recorren este mismo camino cuando aseguran:

«Tenemos que reconocer que el modelo ΛCDM, a pesar de sus profundas conexiones con la física fundamental y de todos sus éxitos, es en última instancia fenomenológico. Establece un marco sólido en el que, sin embargo, quedan cuestiones fundamentales sin resolver. La energía oscura y la materia oscura son componentes ad hoc». Afirman que no es descabellado pensar que, al igual que los epiciclos o el éter luminífero en el pasado, la materia y la energía oscuras podrían ser sustituidas por algo mucho más profundo.

Hay muchos ejemplos en la historia de la ciencia en los que han surgido dilemas de este tipo. Algunos los recogemos en The Reinvention of Science. Slaying the Dragons of Dogma and Ignorance. Por ejemplo, en el siglo XIX, para explicar el exceso en el desplazamiento del perihelio del planeta Mercurio, se propusieron diferentes entidades: un planeta dentro de la órbita de Mercurio que recibió el nombre de Vulcano, un anillo de asteroides que también era intramercurial, un sol suficientemente achatado, un impulso debido al éter, así como desviaciones de la ley de la gravedad de Newton en las proximidades del Sol, como propuso Simon Newcomb en 1906. Todos estos «dragones» postulados en su momento fueron derrotados por quienes aceptaron la relatividad general de Einstein en 1917.

Ese «algo más profundo» podría ser, por ejemplo, que debamos abandonar la suposición, como ya hemos apuntado, de que la energía oscura se distribuye uniformemente por todo el espacio y sea constante. Alternativamente, se podría argumentar que la materia oscura tiene alguna propiedad extraña que actualmente desconocemos. Nuestra ignorancia sobre estas dos grandes incógnitas permite que nuestra imaginación divague libremente.

Y todo esto es la razón tras la frase lapidaria de Riess: «Una vez negados los errores de medición, lo que queda es la posibilidad real y apasionante de que hayamos entendido mal el universo». Esta frase nos recuerda un poco la famosa cita de sir Arthur Conan Doyle en El signo de los cuatro, cuando Sherlock Holmes afirma:

«Cuando se ha descartado lo imposible, lo que queda, por improbable que sea, debe ser la verdad».

Nota: Una versión previa de este artículo centrada exclusivamente en la tensión de Hubble y anterior a que se anunciaran los resultados de DESI se publicó en The Conversation. Vicent J. Martínez, Bernard J.T. Jones y Virginia Trimble son los autores de The Reinvention of Science.