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Tensión sobre la tensión de Hubble


(Tiempo de lectura: 5 - 9 minutos)
La telaraña cósmica. Visualización del gas cósmico (azul) alrededor de estructuras de materia oscura colapsadas (naranja/blanco). Los filamentos con las galaxias rodean grandes volúmenes de espacio, casi vacíos, de unos 100 millones de años luz de diámetro. © IllustrisTNG Collaboration, CC BY-NC-SA La telaraña cósmica. Visualización del gas cósmico (azul) alrededor de estructuras de materia oscura colapsadas (naranja/blanco). Los filamentos con las galaxias rodean grandes volúmenes de espacio, casi vacíos, de unos 100 millones de años luz de diámetro. © IllustrisTNG Collaboration, CC BY-NC-SA

Un estudio reciente sobre la tensión del Hubble, escrito por el premio Nobel de Física de 2011 Adam Riess y colaboradores, ha echado pólvora a la mecha de una polémica que se cocina al minuto en el centro neurálgico de la astronomía. Riess que, hay que insistir, es un premio Nobel, cierra el trabajo con esta frase: “Una vez negados los errores de medición, lo que queda es la posibilidad real y apasionante de que hayamos entendido mal el universo”. La frase es un tiro con onda.

En muchos medios se hace hincapié en que el artículo de Riess mantiene y refuerza la tensión de Hubble. Pero la opinión de muchos 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. Es decir, para los dos gigantes todo concuerda con lo esperado. Pero hay mediciones que ponen en duda incluso a los gigantes.

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.

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. Su valor actual es la constante de Hubble, denotada 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).

La discrepancia en las mediciones

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 2 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, 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.

Los tres pasos para medir la constante de Hubble: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU). Imagen del CMB, del satélite Planck y de su análisis: ESA and the Planck Collaboration. Imagen de la historia cósmica desde el Big Bang: NASA/WMAP Science Team - Wikimedia Commons modificada por Cherkash. Imágenes de HST y del JWST: NASA/ESA/Hubble/CSA.

Conflicto manifiesto

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 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 13 500 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. Algunos de ellos están relacionados con el segundo de los números de Sandage, entonces llamado parámetro de desaceleración (cuyo valor es negativo si la expansión cósmica se está acelerando, como apuntan las observaciones).

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.

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.

Por ejemplo, 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.

Laniakea, nuestro supercúmulo local. Nuestra galaxia (punto azul) es simplemente una de entre las aproximadamente 100 000 galaxias que contiene el supercúmulo. Cortesía de R. Brent Tully, Hélène Courtois, Yehuda Hoffman y Daniel Pomarède, CC BY

 

Si finalmente no se confirmara una explicación tan plausible, nos enfrentaríamos a la posibilidad de que nuestro modelo estándar necesitara un revisión fundamental. 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 de que la energía oscura se distribuye uniformemente por todo el espacio. 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”.The Conversation

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; Bernard J.T. Jones, Emeritus Professor, University of Groningen y Virginia L Trimble, Physics and Astronomy, University of California, Irvine

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.