Hay fuertes indicios de que la energía oscura no es lo que pensaban los astrónomos

ANAHEIM, California.— El miércoles pasado, un equipo internacional de astrónomos desveló la prueba más convincente hasta la fecha de que la energía oscura —un misterioso fenómeno que impulsa a nuestro universo a expandirse cada vez más rápido— no es una fuerza constante de la naturaleza, sino una fuerza que sube y baja a través del tiempo cósmico.

Según sugiere la nueva medición, es posible que la energía oscura no abandone a nuestro universo a un destino de destrucción en todas las escalas, desde los cúmulos de galaxias hasta los núcleos atómicos. Por el contrario, su expansión podría disminuir dejando finalmente el universo estable. O el cosmos podría incluso invertir su curso, condenado al final a un colapso que los astrónomos denominan como la “Gran implosión”.

Los más recientes resultados refuerzan un indicio tentador del pasado mes de abril de que algo fallaba en 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, proceden de una colaboración que dirige el Instrumento Espectroscópico para el Estudio de la Energía Oscura (DESI, por su sigla en inglés) en un telescopio del Observatorio Nacional de Kitt Peak, en Arizona.

“Ahora es un poco más que un indicio”, afirmó Michael Levi, cosmólogo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y director del DESI. “Nos pone en conflicto con otras mediciones”, añadió Levi. “A menos que la energía oscura evolucione, entonces, todos los patos se alinean en fila”.

El anuncio se hizo en una reunión de la Sociedad Estadounidense de Física en Anaheim, California, y se acompañó de una serie de artículos que describen los resultados, que se están sometiendo a revisión por pares y se publicarán en la revista Physical Review D.

“Es justo decir que este resultado, tomado al pie de la letra, parece ser el mayor indicio que tenemos sobre la naturaleza de la energía oscura en los ~25 años transcurridos desde que la descubrimos”, escribió en un correo electrónico Adam Riess, astrofísico de la Universidad Johns Hopkins y del Instituto Científico del Telescopio Espacial de Baltimore, quien no participó en el trabajo pero co-recibió el Premio Nobel de Física de 2011 por descubrir la energía oscura.

Pero incluso cuando las observaciones del DESI cuestionaban el modelo estándar de la cosmología, otro resultado lo ha reforzado. El martes, el equipo multinacional que dirigió el Telescopio de Cosmología de Atacama, en Chile, publicó las imágenes más detalladas jamás tomadas del universo incipiente, cuando solo tenía 380.000 años de edad (ese telescopio se clausuró en 2022).

Su informe, que aún no ha sido revisado por pares, parece confirmar que el modelo estándar funcionaba como se esperaba en el universo primitivo. Uno de los elementos de ese modelo, la constante de Hubble, describe la velocidad de expansión del universo, pero durante el último medio siglo las mediciones de la constante han discrepado claramente, una inconsistencia conocida como la tensión de Hubble. Los teóricos han pensado que quizás una ráfaga adicional de energía oscura en el universo primigenio, 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 posteriormente en el tiempo.

Ambos informes suscitaron el elogio efusivo de otros cosmólogos, quienes simultáneamente confesaron que experimentan una confusión cósmica sobre lo que significaba todo aquello.

“No creo que quede mucho en pie en cuanto a buenas ideas sobre lo que podría explicar la tensión de Hubble en este momento”, afirmó Wendy Freedman, cosmóloga de la Universidad de Chicago que se ha pasado la vida midiendo el universo y que no participó en ninguno de los dos estudios.

Michael Turner, teórico de la Universidad de Chicago, quien tampoco participó en los estudios, afirmó: “La buena noticia es que no hay grietas en el huevo cósmico. La mala noticia es que no hay grietas en el huevo cósmico”.

Turner, quien acuñó el término “energía oscura”, añadió que si hubiera una grieta, “no se ha abierto lo suficiente —todavía— como para que veamos con claridad la próxima gran cosa de la cosmología”.

Expectativas oscuras

Los astrónomos suelen comparar las galaxias de un universo en expansión con las pasas de un pastel que se hornea. A medida que la masa sube, las pasas se van separando. Cuanto más lejos están unas de otras, más rápidamente se separan.

En 1998, dos grupos de astrónomos midieron la expansión del universo estudiando el brillo de un determinado tipo de supernova, o estrella en explosión. Dichas supernovas generan la misma cantidad de luz, por lo que parecen previsiblemente más débiles a distancias más lejanas. Si la expansión del universo se estuviera ralentizando, como creían los científicos de la época, la luz de las explosiones lejanas debería haber aparecido ligeramente más brillante de lo previsto.

Para su sorpresa, los dos grupos descubrieron que las supernovas eran más débiles de lo esperado. En lugar de ralentizarse, la expansión del universo 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 por un universo en expansión. A menos que esa energía proceda del propio espacio.

Esta energía oscura tenía todas las características de un margen de error que Albert Einstein introdujo en su teoría de la gravedad en 1917 para explicar por qué el universo no colapsaba por su propio peso. Este factor, conocido como constante cosmológica, representaba una especie de repulsión cósmica que equilibraría la gravedad y estabilizaría el universo, o al menos eso creía él. En 1929, cuando quedó claro que el universo se expandía, Einstein abandonó la constante cosmológica, y se dice que lo calificó como su mayor error.

Pero ya era demasiado tarde. Una característica de la teoría cuántica ideada en 1955 predice que el espacio vacío está repleto de energía que produciría una fuerza repulsiva igual que el margen de error de Einstein. Durante el último cuarto de siglo, esta constante ha formado parte del modelo estándar de la cosmología. El modelo describe un universo nacido hace 13.800 millones de años, en una colosal chispa conocida como el Big Bang, y compuesto por un 5 por ciento de materia atómica, un 25 por ciento de materia oscura y un 70 por ciento de energía oscura. Pero el modelo no dice qué son realmente la materia o la energía oscura.

Si la energía oscura es realmente la constante de Einstein, el modelo estándar presagia un futuro sombrío: el universo seguirá acelerándose, para siempre, volviéndose más oscuro y solitario. Las galaxias lejanas terminarán estando demasiado lejos como para verlas. Toda la energía, la vida y el pensamiento serán absorbidos del cosmos.

“Ahora tenemos algo que perseguir”

Los astrónomos del equipo DESI están tratando de caracterizar la energía oscura estudiando galaxias en distintas eras del tiempo cósmico. Pequeñas irregularidades en la dispersión de la materia en el universo primigenio han influido en las distancias entre las galaxias actuales, distancias que se han expandido, de manera mensurable, junto con el universo.

Los datos utilizados para la más reciente medición del DESI consistían en un catálogo de casi 15 millones de galaxias y otros objetos celestes. Por sí solo, el conjunto de datos no sugiere que haya nada erróneo en la comprensión teórica de la energía oscura. Pero combinados con otras estrategias para medir la expansión del universo —por ejemplo, estudiando la explosión de estrellas y la luz más antigua del universo, emitida unos cien mil años después del Big Bang— los datos ya no se ajustan a lo que predice el modelo estándar.

La discrepancia entre los datos y la teoría es como máximo de 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 el desajuste aún no llega a 5 sigma (equivalente a una posibilidad entre 3,5 millones), el estricto estándar establecido por los físicos para afirmar que se trata de un descubrimiento.

Sin embargo, la desconexión sugiere de manera tentadora que hay algo en el modelo cosmológico que no se comprende bien. Es posible que los científicos tengan que revisar su interpretación de la gravedad o darle sentido a la antigua luz del Big Bang. Los astrónomos del DESI creen que el problema podría ser la naturaleza de la energía oscura.

“Si introducimos una energía oscura dinámica, las piezas del rompecabezas encajarán mejor”, afirmó Mustapha Ishak-Boushaki, cosmólogo de la Universidad de Texas en Dallas, quien ayudó a dirigir el más reciente análisis del DESI.

Will Percival, cosmólogo de la Universidad de Waterloo, Ontario, y portavoz de la colaboración DESI, expresó su entusiasmo por lo que se avecina. “En realidad, se trata de una pequeña inyección de energía para este campo”, dijo. “Ahora tenemos algo que perseguir”.

En la década de 1950, los astrónomos afirmaban que solo se necesitaban dos números para explicar la cosmología: uno relacionado con la velocidad a la que se expandía el universo y otro que describía su desaceleración, o cuánto se ralentizaba esa expansión. Las cosas cambiaron en la década de 1960, con el descubrimiento de que el universo estaba bañado en luz proveniente del Big Bang, conocida como fondo cósmico de microondas. La medición de esta radiación de fondo permitió a los científicos investigar la física del universo primigenio y el modo en que las galaxias se formaron y evolucionaron posteriormente. Como resultado, ahora el modelo estándar de la cosmología requiere seis parámetros, incluida la densidad de la materia ordinaria y oscura del universo.

A medida que la cosmología se ha ido haciendo más precisa, han surgido tensiones adicionales entre los valores predichos y medidos de estos parámetros, lo que ha dado lugar 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 darle un portazo a muchas de estas ampliaciones.

DESI seguirá recogiendo datos durante al menos un año más. Otros telescopios, en tierra y en el espacio, están trazando sus propias vistas del cosmos; entre ellos se encuentran el Zwicky Transient Facility de San Diego, el telescopio espacial europeo Euclid y la misión SPHEREx de la NASA, lanzada recientemente. En el futuro, el Observatorio Vera C. Rubin empezará a grabar una imagen en movimiento del cielo nocturno desde Chile este verano, y el Telescopio Espacial Roman de la NASA se lanzará en 2027.

Cada uno de ellos absorberá la luz del cielo, midiendo trozos 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 descifrar el universo.

“Cada uno de estos conjuntos de datos tiene sus propios puntos fuertes”, afirmó Alexie Leauthaud, cosmóloga de la Universidad de California en Santa Cruz y portavoz de la colaboración DESI. “El universo es complicado. Y estamos intentando desentrañar muchas cosas distintas”.

Por Katrina Miller and Dennis Overbye

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