Nuevas dudas sobre la expansión del Universo

Hace unos días me terminé de leer La Realidad Oculta de Brian Green. Básicamente es un estudio sobre la posibilidad de que nuestro universo sea parte de un multiverso de tamaño enorme, quizá infinito. Se mantuvo lo más cerca posible a las posibilidades de la ciencia, si bien me resultó algo fantasioso, sobre todo cuando habla de la teoría de cuerdas. Bueno, si hablas de la posibilidad de universo infinitos, megainfinitos y más que eso, hay que echar mano de algo de fantasía.

Una de las cosas que mencionó Green es la expansión acelerada del Universo. En la década de los noventa, dos proyectos de observación intentaron descubrir cuál era el ritmo de expansión del Universo. Para ello midieron la distancia a diversas galaxias distantes. ¿Pero cómo se hace eso? Con ingenio. En ocasiones sucede que un sistema binario está formado por una enana blanca y una gigante roja. La enana material de su estrella compañera, engordando en el proceso, hasta que la masa de la enana blanca llega a 1,4 veces la masa de nuestro sol, momento en el que colapsa bajo su propio peso. El resultado del colapso es una gigantesca explosión de supernova tipo Ia.

Resulta que esa explosión es siempre igual, lo que significa que la energía liberada, y por tanto el brillo absoluto, no cambia. Eso significa que una supernova tipo Ia es como una linterna que siempre ilumina igual, y que si vemos una explosión en una galaxia podemos relacionar su brillo aparente con su distancia a nosotros. Entre eso y el hecho de que una supernova brilla tanto como todo el resto de su galaxia, tenemos una forma cómoda y útil de medir la distancia a galaxias lejanas.

Observando una gran cantidad de galaxias, los equipos del Supernova Cosmology Project y del High-Z Supernova Search Team descubrieron algo sorprendente. Hasta entonces se creía que la gravedad haría que el Universo, o bien se acabaría contrayendo, o seguiría expandiéndose cada vez con mayor lentitud, pero según los datos de ambos equipos el Universo no sólo se expande, ¡sino que cada vez lo hace más deprisa! Vea por ejemplo esta imagen del SPC, donde los datos medidos (puntos negros) están en la zona azul, indicativa de que el Universo se encuentra en expansión acelerada. (Imagen del artículo de Perlmutter, Physics Today 56, p.53-60, 2003):

Supernova Perlmutter 1 phystoday2003

Lo cierto es que, aunque inesperada, la expansión acelerada del Universo aparece en las ecuaciones de la Relatividad General. Se trata de la famosa constante cosmológica, de la que el propio Einstein renegó llamándola “el mayor error de mi vida”, y que mire usted por donde resulta que aparece de nuevo a finales del siglo XX. El descubrimiento le valió en 2011 el premio Nobel de Física a los responsables de ambos equipos (Saul Perlmutter del SPC; Adam Riess y Brian Schmidt del High-Z) y afianzó la hipótesis de la energía oscura, que conforma un 70% de toda la masa-energía del universo. Realmente nadie sabe qué es o de dónde viene esa energía oscura, y su principal prueba de existencia es que explica la expansión acelerada del Universo, así que bienvenida sea mientras descubrimos en qué consiste.

Sin embargo, han aparecido dudas sobre la constancia de esa candela cósmica que son las supernovas Ia. Ya en los años 90 se comprobó que había diferencias en el brillo de algunas supernovas, y que las más brillantes decaían en brillo más lentamente. La campaña de observación de supernovas Calán/Tololo condujo a una corrección del brillo, y las mediciones del Universo siguieron adelante.

En cualquier caso la situación no parecía preocupante ya que los datos de las supernovas no son los únicos que apoyan la tesis de la expansión acelerada del Universo, ni mucho menos [Perlmutter 2003]:

Supernovas Perlmutter5

Como puede verse, hay diversos métodos para intentar hallar la relación entre la densidad de masa del Universo (eje horizontal) y la densidad de energía del vacío (eje vertical). La relación entre ambas cantidades nos indica qué tipo de universo tendremos. Hay tres bloques de evidencias: supernovas (en azul), la radiación cósmica de microondas (CMB, en verde) y agrupaciones de galaxias (clusters, en amarillo). [Hay otra pequeña elipse en amarillo donde confluyen los demás, pero no representa medición alguna, sólo una propuesta del autor, así que no le haga caso, lector]

Cada color viene en diversas tonalidades, referentes a los márgenes de error (cuanto mayor la probabilidad de certeza, más oscuro el color). Aunque la elipse azul de las supernovas parece algo desplazada respecto a las otras dos, parece que las tres evidencias experimentales se solapan razonablemente bien, lo que permite concluir dos cosas: una, que el Universo es plano (o casi), y dos, que va a expandirse indefinidamente. Parece que incluso si los resultados de las supernovas no coinciden exactamente con los otros, nos da un buen apaño.

Pero el destino del Universo es algo muy gordo para basarlo en el examen de unas pocas docenas de supernovas, así que la investigación básica continuó tanto desde el punto teórico como experimental. Se pensó, por ejemplo, que en algunos casos la estrella a la que la enana blanca robaba material podía no ser una gigante roja sino otro tipo de estrella, como otra enana blanca. En tal caso la explosión sucedería tras la unión de ambas estrellas, en lugar de seguir el proceso de “robo” de material de una estrella por otra.

Para verificarlo, hay que coger a la supernova con las manos en la masa. Eso es lo que consiguió un grupo de investigadores norteamericanos encabezados por Griffin Hosseinzadeh. La ocasión apareció el 10 de marzo de este año, al descubrir el inicio de una explosión de supernova en la galaxia NGC5643, a unos 55 millones de años-luz. Los telescopios se pusieron rápidamente a la tarea y consiguieron observar la explosión casi desde sus inicios. Descubrieron que durante los primeros cinco días hubo un incremento inusual de la intensidad de luz emitida en las bandas del azul y el ultravioleta.

El reciente artículo que han publicado sugiere algunas hipótesis para resolver la discrepancia entre los datos observados y los modelos usados. Puede que la radiación de la onda de choque debida a la explosión no se pueda ajustar a un cuerpo negro, o que dicha onda de choque no sea simétrica; puede haber problemas suponiendo la opacidad o la densidad de esa onda. Otras posibilidades incluyen el choque con material circunstelar y la presencia de una burbuja de níquel radiactivo como responsables de esa emisión extra en las bandas azul y ultravioleta. Los autores, por supuesto, no se decantan por ninguna de esas posibilidades ya que carecen de los datos necesarios para resolver el problema, y apuntan a la necesidad de estudiar las explosiones de supernovas desde sus inicios, algo que es cada vez más viable en la actualidad.

Sea cual sea la explicación, el hecho es que la supernova Ia dista de ser la “candela cósmica” de brillo constante que antes se creía, lo que automáticamente arroja dudas sobre la validez del modelo de expansión cósmica. Si, por algún motivo, el brillo de supernova depende de factores que no se han tenido en cuenta hasta ahora, su papel como regla cósmica entrará en entredicho.

Otras mediciones experimentales arrojaron más incertidumbre a la olla. El año pasado, un grupo europeo dirigido por J.T. Nielsen hizo una reevaluación usando un total de 740 supernovas, diez veces más que el número usado por los grupos Supernova Cosmology Project y del High-Z Supernova Search Team, anteriormente mencionados y que sentaron las bases de la expansión acelerada del Universo. Bien, pues los nuevos datos indican que, según las supernovas, el Universo sigue acelerándose… aunque ya la cosa no está tan clara:

Supernova 2

Los datos del fondo de microondas (CMB) y de los cúmulos de galaxias (Clusters) siguen en intersección, pero los datos de las supernovas están más descentrados, lo que quiere decir que la probabilidad de error es mayor. El profesor Sarkar, uno de los firmantes del artículo, afirma que “los demás tests son indirectos, basados en un marco de un modelo supuesto, y el fondo cósmico de microondas no está directamente afectado por la materia oscura… es perfectamente posible que estemos equivocados y que la aparente manifestación de la energía oscura sea consecuencia de analizar los datos en un modelo teórico demasiado simplificado.” Los autores no afirman que el modelo actual sea inválido, y confían en que medidas futuras usando el telescopio europeo de gran tamaño E-ELT permita resolver la cuestión. Mientras tanto, el problema sigue en el aire.

Y ahí está el detalle, que diría Cantinflas. Todos los libros de divulgación sobre cosmología que conozco parten de la supernova Ia como prueba prácticamente indiscutible de la expansión acelerada del Universo. A partir de ahí sacamos lo de la constante cosmológica, la energía oscura y todo eso que mola tanto. Y ahora resulta que la prueba principal nos revela dudas.

Peor aún, si Sarkar tiene razón puede que las demás pruebas también sean defectuosas. Es como esos episodios de polis, donde parece que tienen al sospechoso y de repente todo se viene abajo: las huellas no concuerdan, el arma es de otro calibre, tiene testigos, su móvil lo sitúa lejos del escenario del crimen. Eso no significa que el sospechoso sea inocente, pero ya tenemos la duda razonable.

Personalmente no creo que lleguemos a tanto, pero hay que tomarse las cosas en serio. Esto no es un punto teórico menor sino el cogollo cosmológico más importante de nuestro tiempo. Hay que hacer de fiscal cabrón, examinar todas las pruebas con lupa y no pasar ni un detalle por alto. Esperemos que futuras observaciones nos revelen de forma clara si las supernovas Ia son realmente utilizables para medir distancias y si de ello podemos deducir el futuro del Universo. Seguiremos investigando a nuestro sospechoso, y que no se le ocurra abandonar la ciudad hasta nuevo aviso.

Ah, y un último detalle sobre El Universo Elegante. Cuando el autor Brian Greene salió dando una charla sobre su libro en un episodio de The Big Bang Theory, nos hizo creer que trataba del principio de incertidumbre de Heisenberg, y nada más lejos de la realidad. Tramposillo.

Post completo en: El profe de Física. Naukas

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