El universo se está expandiendo más rápido de lo esperado

Se trata de uno de las mayores incógnitas de la astronomía moderna: según varias observaciones de las estrellas y galaxias, el universo parece estar expandiéndose más de lo que predicen los modelos estándar del cosmos. Y dada la creciente evidencia relacionada con este enigma, algunos investigadores hablan de una inminente crisis en la cosmología.

Recientemente, un grupo de investigadores ha reunido una gran cantidad de datos nuevos con el telescopio espacial Hubble, que indican que hay cada vez más probabilidades de que exista algún elemento desconocido en el cosmos —o algún efecto inesperado de los elementos conocidos— que los astrónomos aún deben identificar.

“Parece que el universo no para de darnos sorpresas, y eso es algo bueno, porque nos permite aprender”, dice Adam Riess, astrónomo de la Universidad Johns Hopkins que dirigió el último estudio para explorar esta irregularidad.

El enigma se conoce como la tensión de Hubble, en honor a Edwin Hubble. En 1929, el astrónomo observó que cuanto más lejos de nosotros se encuentra una galaxia, más rápidamente parece alejarse, una observación que derivó en nuestra comprensión actual de que el universo surgió con el Big Bang, y que, a partir de entonces, se ha ido expandiendo.

Los investigadores han intentado medir la tasa actual de expansión del universo, principalmente, de dos formas: midiendo las distancias a las estrellas cercanas y mapeando un tenue resplandor que se remonta a los orígenes del universo. Estos enfoques nos sirven para ir registrando nuestra comprensión del universo a lo largo de más de 13 mil millones de años de historia cósmica. La investigación también ha revelado algunos elementos cósmicos clave, como la “energía oscura”, fuerza misteriosa a la que se le atribuye la expansión acelerada del universo.

Pero estos dos métodos discrepan con la tasa de expansión actual del universo en un 8 por ciento. Esa diferencia puede no parecer grande, pero si la discrepancia es real, significa que, ahora, el universo se está expandiendo más rápido de lo que incluso la teoría de la energía oscura puede explicar; y esto implica una falla en nuestras estimaciones del cosmos.

En los hallazgos, descritos en varios estudios presentados la semana pasada en The Astrophysical Journal, se menciona que los investigadores consideraron tipos de estrellas específicos y explosiones estelares para medir la distancia entre nuestro universo y las galaxias cercanas. El conjunto de datos incluye observaciones de 42 explosiones estelares diferentes, y tiene dos veces el tamaño del análisis más grande de este tipo hasta el momento. Según el equipo, la tensión entre su nuevo análisis y los resultados de las mediciones del cosmos en su etapa temprana ha alcanzado cinco sigma, el umbral estadístico utilizado en la física de partículas para confirmar la existencia de nuevas partículas.

Otros astrónomos mantienen la idea de que los datos pueden ser erróneos, lo que significa que es posible que la tensión del Hubble sea solo un resultado espurio.

Sin embargo, Dan Scolnic, miembro del equipo y astrónomo de la Universidad de Duke, expresa: “No puedo entender cómo es posible que se nos escape un error tan grande, y que nadie haya sugerido nada al respecto. Hemos verificado todas las teorías que se nos han presentado pero no obtuvimos respuestas”.

Microondas cósmicas y escalera de distancias

La tensión de Hubble surge a partir de los intentos de medir o predecir la tasa actual de expansión del universo, que se denomina constante de Hubble. Con esta, los astrónomos pueden estimar la edad del universo desde el Big Bang.

Para obtener la constante de Hubble, uno de los métodos es considerar el fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), una tenue radiación que se formó cuando el universo tenía solo 380.000 años. El CMB ha sido medido, por ejemplo, por el observatorio Planck de la Agencia Espacial Europea, que logró obtener una imagen detallada de cómo se distribuían la materia y la energía en el universo en su edad temprana, así como la física que las regulaba.

Con el Lambda Cold Dark Matter, un modelo que predice muchas de las propiedades del universo con un éxito sorprendente, los cosmólogos pueden observar el CMB del universo temprano y calcular matemáticamente cómo debería ser la constante de Hubble de hoy. Este método predice que el universo debería expandirse a una velocidad de aproximadamente 67,36 kilómetros por segundo por megapársec (un megapársec equivale a 3,26 millones de años luz).

Por el contrario, otros equipos miden la constante de Hubble observando el universo “local”: las estrellas y galaxias más modernas que están relativamente cerca de nosotros. Para este cálculo se necesitan dos tipos de información: cuán rápido se aleja una galaxia de nosotros y cuán lejos está esa galaxia. Eso, a su vez, requiere que los astrónomos desarrollen lo que se conoce como una escalera de distancias cósmicas.

La escala de distancia cósmica de los nuevos estudios, establecida por el grupo de investigación SH0ES de Riess, comienza con mediciones de las distancias entre nuestro universo y ciertos tipos de estrellas llamadas variables cefeidas. Las cefeidas son muy útiles porque, en esencia, actúan como luces estroboscópicas de una potencia conocida: se encienden y pierden brillo de forma regular, y cuanto más brillantes son las cefeidas, más lento titilan. Usando este principio, los astrónomos pueden estimar los brillos intrínsecos de las cefeidas aún más lejanas en función de la frecuencia del brillo estelar y, en última instancia, calcular las distancias entre las estrellas y nosotros.

Para que la escalera llegue más lejos, los astrónomos han agregado peldaños basados ​​en explosiones estelares llamadas supernovas de tipo 1a. Al estudiar las galaxias que contienen cefeidas y supernovas de tipo 1a, los astrónomos pueden averiguar la relación entre el brillo de las supernovas y sus distancias. Y como las supernovas de tipo 1a son mucho más brillantes que las cefeidas, se pueden ver desde distancias mucho más grandes, lo que permite que los astrónomos puedan medir galaxias del cosmos mucho más lejanas.

Explicar la variación

El problema es que medir con precisión todas estas estrellas y supernovas es muy complicado. Técnicamente, no todas las cefeidas y supernovas de tipo 1a son exactamente iguales: algunas pueden tener diferentes composiciones, diferentes colores o diferentes tipos de galaxias anfitrionas. Los astrónomos llevan muchos años tratando de explicar esta variabilidad, pero es muy difícil determinar si una fuente de error desconocida está inclinando la balanza.

Para abordar estos desafíos, un equipo de investigación llamado Pantheon+ realizó un análisis exhaustivo de 1.701 observaciones de supernovas de tipo 1a recopiladas desde 1981. El análisis incluyó estudios para cuantificar todas las cuestiones inciertas y elementos sesgados.

“Nos importa, por ejemplo, cómo era el clima y la observación de un telescopio en noviembre de 1991…qué difícil”, dice Scolnic de la Universidad de Duke, quien codirige Pantheon + con Dillon Brout, investigador del Centro de astrofísica Harvard-Smithsonian.

Los hallazgos del equipo sustentaron el nuevo análisis de Riess y sus colegas de SH0ES. Después de realizar una verificación cruzada exhaustiva de los factores que podrían afectar las observaciones de las cefeidas, el equipo hizo su estimación de la constante de Hubble más precisa hasta la fecha: 73.04 kilómetros por segundo por megaparsec, más o menos 1.04. Eso es aproximadamente un 8 por ciento más alto que el valor inferido de las mediciones del CMB realizadas por el observatorio Planck.

El equipo también intentó probar las ideas de científicos externos sobre su estimación de la constante de Hubble, mayor que la de Planck. En total, los investigadores realizaron 67 variantes de su análisis, y en muchas de estas, la tensión era peor.

“Creo que hemos escuchado atentamente muchas preocupaciones y problemas —dice Riess—. Esto no es simplemente algo que se descubre mágicamente... Hemos hecho exploraciones muy exhaustivas”.

El universo desconocido

Sin embargo, en los últimos años, Wendy Freedman de la Universidad de Chicago ha estado trabajando en una estimación que no se basa en la pulsación estelar. En lugar de eso, se fía de un grupo específico de estrellas gigantes rojas, que también actúan como bombillas de luz de potencia conocida. Partiendo de estas “luces estándar” u objetos con brillos intrínsecos conocidos, la estimación de Freedman de la constante de Hubble es de 69,8 kilómetros por segundo por megaparsec, un valor que se encuentra a medio camino de las otras dos mediciones.

Si bien el trabajo del equipo ha sido muy prolijo y cuidadoso, Freedman dice que los errores inciertos aún podrían estar afectando el análisis, y creando, tal vez, una tensión ilusoria. La investigadora agrega que algunas fuentes inciertas son inexorables. En principio, solo existen tres galaxias lo suficientemente cerca de la Vía Láctea como para medir las distancias de forma directa, y la base de la escalera de distancias cósmicas se basa en este trío.

“Tres no es mucho, pero es lo que nos ofrece la naturaleza”, dice Freedman.

Los equipos de Pantheon+ y SH0ES han analizado detenidamente los resultados de Freedman y otros investigadores, y algunos de los diversos análisis observan lo que sucede si las estrellas preferidas de Freedman se suman a la escala de distancias cósmicas, junto con las cefeidas y las supernovas de tipo 1a. Según este trabajo, la inclusión de estas estrellas reduce levemente la estimación de la constante de Hubble, pero la tensión no desaparece.

Y si la tensión del Hubble realmente refleja nuestra realidad física, entonces, para explicarla, probablemente necesitemos agregar otro elemento a la lista de ingredientes fundamentales del universo.

La teoría de la energía oscura temprana, una de las principales teorías antagonistas, propone que unos 50.000 años después del Big Bang, hubo un breve estallido de energía oscura. En principio, una radiación de energía oscura adicional podría alterar la expansión del universo primitivo lo suficiente como para explicar la tensión del Hubble sin interferir demasiado con el modelo estándar de cosmología.

Pero eventualmente, las estimaciones de los cosmólogos para la edad del universo bajarían de los actuales 13.8 mil millones de años a unos 13 mil millones de años.

“Surgen muchas preguntas sobre por qué debes explicar esta cosa nueva que simplemente aparece y desaparece…es un poco raro —dice Mike Boylan-Kolchin, astrofísico de la Universidad de Texas en Austin—. Pero estamos en un punto en el que, si estas cosas resultan tan discrepantes, tal vez tengamos que empezar a buscar en los rincones más extraños del universo”.

Por ahora, no se ha presentado evidencia absoluta de la energía oscura temprana, aunque existen algunos indicios bastante concretos. En septiembre, el Telescopio de Cosmología de Atacama (Chile), un proyecto que mide el fondo cósmico de microondas, afirmó que un modelo que considera la energía oscura temprana resulta más afín a sus datos que el modelo cosmológico estándar. Los datos del telescopio Planck no coinciden, por lo que se requerirán futuras observaciones para desentrañar el misterio.

Existen otros observatorios que también podrían ayudar a aclarar la tensión del Hubble. El satélite Gaia de la ESA, por ejemplo, ha estado mapeando la Vía Láctea desde 2014, generando estimaciones de distancia cada vez más precisas entre nosotros y muchas de las estrellas de nuestra galaxia, incluidas las Cefeidas. Y el próximo telescopio espacial James Webb, que se lanzará a finales de este mes, podría servir para que los astrónomos verifiquen las medidas de ciertas estrellas según el Hubble.

Freedman asegura: “Estamos trabajando más de lo que se puede. Creo que lograremos develar el misterio”.