La discrepancia entre lo rápido que parece expandirse el universo y lo rápido que esperamos que se expanda es una de las anomalías más persistentes de la cosmología.
Los cosmólogos basan su expectativa de la tasa de expansión -una tasa conocida como la constante de Hubble- en las mediciones de la radiación emitida poco después del Big Bang. Esta radiación revela los ingredientes precisos del universo primitivo. Los cosmólogos introducen los ingredientes en su modelo de evolución cósmica y lo hacen avanzar para ver a qué velocidad debería expandirse el espacio en la actualidad.
Historia original reproducida con permiso de la revista Quanta, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia cubriendo los avances y tendencias de la investigación en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.
Sin embargo, la predicción se queda corta: cuando los cosmólogos observan objetos astronómicos como estrellas pulsantes y supernovas en explosión, ven un universo que se expande más rápido, con una constante de Hubble mayor.
La discrepancia, conocida como la tensión de Hubble, ha persistido incluso cuando todas las mediciones se han hecho más precisas. Algunos astrofísicos siguen debatiendo si la tensión podría no ser más que un error de medición. Pero si la discrepancia es real, significa que falta algo en el modelo de universo de los cosmólogos.
Recientemente, los teóricos han estado ocupados imaginando nuevos ingredientes cósmicos que, añadidos al modelo estándar, acelerarían la tasa de expansión esperada del universo, haciéndola coincidir con las observaciones.
«Descubrir anomalías es la forma fundamental en que la ciencia progresa», dijo Avi Loeb, cosmólogo de la Universidad de Harvard y uno de las docenas de investigadores que han propuesto soluciones a la tensión del Hubble.
Estas son algunas de las principales ideas sobre lo que podría estar acelerando la expansión cósmica.
Materia oscura en descomposición
El modelo estándar de la cosmología incorpora todas las formas conocidas de materia y radiación y sus interacciones. También incluye las sustancias invisibles conocidas como energía oscura y materia oscura, que juntas constituyen alrededor del 96 por ciento del cosmos. Dado que se sabe tan poco sobre estos ingredientes oscuros, son quizás el lugar obvio para empezar a manipular el modelo estándar. «Eso es lo que tienes a tu disposición para cambiar la tasa de expansión del universo», dijo Loeb.
El modelo estándar asume que la materia oscura consiste en partículas de movimiento lento que no interactúan con la luz. ¿Pero qué pasa si también asumimos que la materia oscura no está hecha de una sola sustancia? Dado que existen muchos tipos diferentes de partículas visibles -quarks, electrones, etc.- también podría haber múltiples partículas oscuras.
En un artículo publicado el verano pasado en Physical Review D, Loeb y dos colaboradores consideraron una forma de materia oscura que decae en una partícula más ligera y en una partícula sin masa conocida como fotón oscuro. A medida que más y más materia oscura decae con el tiempo, razonaron, su atracción gravitacional habría disminuido, y por lo tanto la expansión del universo se habría acelerado, aliviando la tensión de Hubble.
Pero hacer pequeños cambios como este en el modelo cosmológico estándar puede tener efectos en cadena no deseados. «Es muy fácil idear todo tipo de ligeras modificaciones», dijo Marc Kamionkowski, físico teórico de la Universidad Johns Hopkins, pero es difícil hacerlo, dijo, sin arruinar el ajuste perfecto del modelo con una gran cantidad de otras observaciones astronómicas.
Al variar la tasa de desintegración y la cantidad de materia oscura que se pierde en cada desintegración, Loeb y sus colegas seleccionaron un modelo de materia oscura en desintegración que, según ellos, sigue coincidiendo con otras observaciones astronómicas. «Si se añade este ingrediente al modelo estándar de la cosmología, todo se mantiene», dijo Loeb.
Sin embargo, sigue insatisfecho con la idea de la materia oscura en descomposición, en parte porque introduce dos nuevas cantidades inciertas en las ecuaciones.
«En este caso, se añaden dos parámetros libres para resolver una discrepancia, y eso me inquieta», dijo, comparando la materia oscura en descomposición con los epiciclos del modelo del universo centrado en la Tierra de Ptolomeo. «Preferiría que dos discrepancias se explicaran con un solo parámetro».
Energía oscura inconstante
Desde el sorprendente descubrimiento en 1998 de que la expansión del universo se está acelerando, los cosmólogos han incluido una energía oscura repulsiva en su modelo de evolución cósmica. Pero su naturaleza sigue siendo un misterio. La posibilidad más sencilla es que la energía oscura sea la «constante cosmológica»: la energía del propio espacio, con una densidad constante en todas partes. Pero, ¿y si la cantidad de energía oscura en el universo no es constante?
Una dosis extra de energía oscura en el universo primitivo, denominada energía oscura temprana, podría conciliar los valores contradictorios de la constante de Hubble. La presión hacia el exterior de esta energía oscura temprana habría acelerado la expansión del universo. «La parte complicada es que eso no puede quedarse realmente; tiene que desaparecer rápidamente», dijo Lisa Randall, física de partículas y cosmóloga de Harvard.
Randall y sus colaboradores idearon lo que llaman soluciones «rock ‘n’ roll» a la tensión de Hubble en un artículo enviado al Journal of High Energy Physics. Cada una de estas adiciones al modelo estándar adopta una forma matemática diferente: en algunas, la densidad de la energía oscura oscila, o se balancea, mientras que en otras desciende desde un valor alto hasta cero. Pero en todos los casos, la energía oscura primitiva debe desaparecer tras unos cientos de miles de años, durante una época conocida como recombinación. «La historia del universo desde la recombinación es bastante coherente con el modelo estándar», afirma Kamionkowski, coautor de un artículo sobre la energía oscura primitiva publicado en Physical Review Letters el pasado mes de junio. «De modo que cualquier monería que hagamos en el universo temprano tiene que decaer».
Además de la energía oscura temprana, los teóricos han propuesto otras formas exóticas de energía oscura -como la quintaesencia y la energía oscura fantasma- que también cambian a medida que el universo envejece. Aunque estas extensiones del modelo estándar alivian la tensión de Hubble, muchos cosmólogos las consideran adiciones matemáticas de ajuste fino que no tienen una justificación clara.
Pero Kamionkowski dice que las nuevas formas de energía oscura parecen menos artificiosas cuando se consideran junto a otros períodos de expansión en la historia del universo. Por ejemplo, la mayoría de los cosmólogos piensan que el espacio se expandió exponencialmente al comienzo del Big Bang durante un período conocido como inflación, que fue impulsado por un tipo de energía oscura diferente a la que existe hoy en día. Se cree que tales períodos dominados por la energía oscura «ocurren ocasionalmente a lo largo de la historia del universo», dijo Kamionkowski.
Gravedad modificada
En el modelo estándar de la cosmología, todas las formas conocidas de materia y radiación, además de la materia y la energía oscuras, se introducen en la teoría de la gravedad de Albert Einstein, y las ecuaciones de éste indican cómo se expande el espacio como resultado. Esto significa que, además de cambiar o añadir ingredientes cósmicos al modelo, hay otra forma en que los físicos pueden reconciliarlo con la tasa de expansión cósmica observada: «Se puede imaginar que las ecuaciones de Einstein no son correctas», dijo Loeb.
William Barker, estudiante de doctorado de la Universidad de Cambridge, estaba buscando una teoría de «gravedad modificada» el verano pasado cuando tropezó con una forma de resolver la tensión de Hubble. Barker encontró un modelo de gravedad modificada que era «capaz de comportarse como si hubiera radiación extra en el universo primitivo», dijo; la presión de la radiación habría aumentado la tasa de expansión cósmica.
Pero en un preimpreso enviado a Physical Review D en marzo, Barker y tres coautores reconocen que se necesita mucho más análisis para ver si el modelo puede describir no sólo cómo se expande el universo, sino también cómo evolucionaron estructuras como las galaxias y los cúmulos.
Con los telescopios contemporáneos que ofrecen un exceso de datos impresionantemente precisos sobre tales estructuras, concebir una teoría que coincida con todas las observaciones no es una hazaña. «Muchas de las teorías de gravedad modificada no son teorías completas, y cuando se trata de hacer un cálculo detallado con conjuntos de datos sofisticados… es difícil hacerlo de manera robusta», dijo Kamionkowski.
Espera y verás
«Todos sabemos que son ad hoc», dijo Randall sobre las propuestas hasta ahora. «Lo sorprendente es que, incluso con estas adiciones ad hoc, sigue siendo muy difícil acomodar la discrepancia.»
Incluso con la libertad extra, la mayoría de los modelos no estándar sólo reducen la tensión de Hubble en lugar de eliminarla. Predicen una tasa de expansión cósmica más rápida que el modelo estándar, pero aún no es lo suficientemente rápida como para coincidir con las observaciones de supernovas y otros objetos astronómicos.
En los próximos años, el telescopio Euclid y otros mapearán meticulosamente cómo la gravedad y la energía oscura han dado forma a la evolución cósmica. Mientras tanto, las ondas gravitacionales emitidas por las estrellas de neutrones en colisión ofrecen una nueva forma de medir la constante de Hubble. Los nuevos datos descartarán algunas de estas soluciones novedosas a la tensión de Hubble, pero podrían aparecer nuevas grietas en el modelo estándar. Por ahora, muchos cosmólogos se resisten a complicar el modelo cuando por lo demás funciona tan bien. «Hay un poco de sentido de esperar y ver, a menos que alguien tenga una idea realmente buena», dijo Randall.
Añadió que incluso si la tensión de Hubble resulta ser nada más que una acumulación de errores, esta búsqueda de nueva física puede no ser en vano.
«De vez en cuando surgen resultados interesantes de cosas que acaban desapareciendo», dijo Randall. «Te obliga a pensar: ¿Qué sabemos? Y cuánto podemos cambiar las cosas?»
La historia original se ha reproducido con el permiso de la revista Quanta, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia cubriendo los avances y tendencias de la investigación en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.
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