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Cómo la comprensión actual del universo es “una admisión de nuestra ignorancia”
Algunas explicaciones sobre el universo simplemente no cuadran, lo que significa que o nuestras observaciones -o nuestras teorías- son incorrectas
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Varias observaciones cosmológicas que se contradicen entre sí pueden ser señales de que el modelo estándar que explica cómo funciona nuestro universo tiene algunas grietas. Por ejemplo, el universo parece expandirse un 10% más rápido de lo que debería, según las observaciones del calor remanente del Big Bang.
Es perfectamente posible que las contradicciones desaparezcan a medida que mejoren nuestras estimaciones de los parámetros cósmicos. Pero también es posible que estas contradicciones no desaparezcan y que nuestra imagen fundamental del universo esté a punto de sufrir una revisión radical, quizás para incluir componentes invisibles y “oscuros”.
Materia oscura, energía oscura e inflación
La cosmología es la ciencia suprema. Estudia aspectos como el nacimiento, la evolución y el destino del universo. El modelo estándar de la cosmología es la teoría que describe la naturaleza, la estructura y evolución a gran escala del universo.
Este modelo tiene varios ingredientes: el Big Bang, la materia oscura, la energía oscura y la inflación. Primero, se debe hablar del Big Bang. Por un lado, los astrónomos pueden ver que las galaxias, que son los bloques básicos del universo, se están alejando unas de otras como consecuencia de una explosión titánica.
Además, también observaron que el universo está impregnado por un calor remanente, al que se conoce como la radiación cósmica de fondo. Juntas, estas dos observaciones les dicen a los astrónomos que en el pasado el universo era más pequeño y más caliente.
De hecho, de acuerdo con el modelo estándar, el universo nació de una bola ardiente hace 13.820 millones de años, y se ha estado expandiendo desde entonces. Según esa explicación, las galaxias comenzaron a solidificarse a partir de los escombros que se fueron enfriando.
Pero la imagen básica del Big Bang requiere algunos ingredientes adicionales, porque entra en conflicto con las observaciones. La primera y, más seria contradicción, es que el Big Bang predice que no deberíamos existir. De acuerdo con la teoría del Big Bang, cuando la materia emergió de la gran explosión, se fue esparciendo de manera extremadamente suave.
A partir de entonces, las regiones más densas atrajeron materia más rápidamente gracias a su gravedad más fuerte. El resultado fueron las galaxias que vemos hoy.
El problema es que con este proceso habría tomado más de 13.820 millones de años ensamblar galaxias tan masivas como nuestra Vía Láctea. Para resolver este problema, los cosmólogos añaden el ingrediente de la invisible materia oscura, cuya gravedad adicional aceleró la formación de galaxias.
La segunda forma en que el Big Bang entra en conflicto con las observaciones es que predice que la expansión cósmica debería volverse la más lenta. La gravedad actúa como una red elástica entre las galaxias, frenando la separación entre ellas.
En 1998, sin embargo, los astrónomos descubrieron que, contrario a lo que se esperaba, la expansión se está acelerando. La solución a este problema es añadir el concepto de la energía oscura, algo que es invisible, llena todo el espacio y tiene una gravedad repulsiva. Es la energía oscura la que está acelerando la expansión cósmica.
La tercera forma en que la imagen del Big Bang entra en conflicto con las observaciones es que el universo tiene la misma temperatura en todas partes: la temperatura de la radiación cósmica de fondo, que equivale a 2.726 ºK (el cero absoluto es 0 ºK).
Al principio del Big Bang, las regiones que hoy se encuentran en lados opuestos del espacio estaban demasiado alejadas para igualar sus temperaturas. Para resolver esta incongruencia, los cosmólogos sostienen que, al principio, el universo era mucho más pequeño de lo esperado. Por lo tanto, debe haberse expandido más rápido para alcanzar su tamaño actual en 13.820 millones de años.
De hecho, se cree que el universo, en su primera fracción de segundo, experimentó una expansión tan violenta que se le ha comparado con la explosión de una bomba de hidrógeno. A este fenómeno se le llama inflación.
Entonces, el modelo estándar de cosmología equivale a sumar el Big Bang + inflación + materia oscura + energía oscura. Técnicamente, se conoce con el nombre de “Lambda-CDM”. En este término el Big Bang y la inflación se asumen implícitamente. Lambda se refiere a la energía oscura y CDM corresponde a las siglas en inglés de “fría materia oscura”.
"Fría" significa que sus componentes se mueven lentamente para que la gravedad pueda concentrarlos en cúmulos.
Algo anda mal con la fría materia oscura
La primera forma en que Lambda-CDM entra en conflicto con las observaciones tiene que ver con los grupos de galaxias. Según este modelo, la gravedad hará que la materia oscura se agrupe en halos.
Esos halos de materia oscura pueden tener subgrupos, conocidos como “subhalos”. Estos “subhalos” pueden tener muchas estrellas, pero algunos subhalos pueden no tener estrellas, o tan pocas estrellas que son invisibles. Sin embargo, hay una forma de revelarlas.
Un equipo dirigido por el doctor Massimo Meneghetti, del Instituto Nacional de Astrofísica en Bolonia, Italia, observó 11 cúmulos de galaxias con el telescopio espacial Hubble y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en Chile. Examinaron la luz de galaxias distantes y cómo esta se distorsionada debido a que pasaba a través de los subhalos invisibles.
A este fenómeno se le conoce como “lente gravitacional”. Para sorpresa del equipo, el efecto de lente creado por los subhalos fue mucho más fuerte de lo esperado, lo que indica que son muy compactos.
Esto entra en conflicto con el modelo de la fría materia oscura, que sostiene que los subhalos deberían estar mucho más dilatados. ”Necesitamos saber si esta anomalía puede ser causada por la forma en que analizamos nuestros datos o por la forma en que hacemos nuestras predicciones teóricas”, dijo Meneghetti y agregó: “Si no logramos explicarlo, la única opción será revisar el modelo”.
Una posibilidad es que la materia oscura no esté hecha de lo que creemos que está hecha. Los candidatos preferidos son partículas masivas que interactúan débilmente con la materia ordinaria solo a través de la gravedad. Estas partículas masivas de interacción débil, o WIMP, no forman parte del modelo estándar de física de partículas, pero son predichas por una teoría especulativa llamada “supersimetría”.
“Quizás la materia oscura esté formada por partículas que interactúan de diferentes formas con los WIMPS”, explicó Meneghetti y comentó: “Las posibles alternativas incluyen un nuevo tipo de neutrino llamado ‘neutrino estéril’, otra clase de partículas llamadas ‘axiones’, o incluso agujeros negros primordiales, formados justo después del Big Bang”.
La suavidad de la materia
El segundo conflicto entre Lambda-CDM y las observaciones se refiere a la aglomeración de la materia a gran escala. Un equipo dirigido por el profesor Koen Kuijken en el Observatorio de Leiden en los Países Bajos, analizó la distribución de 31 millones de galaxias extremadamente débiles en la última publicación de datos de la Encuesta europea de kilogrados (KiDS).
La colaboración KiDS utilizó el telescopio de exploración del Very Large Telescope en Chile para observar dos grandes franjas del cielo. Específicamente, el equipo de Kuijken observó cómo la luz de estas galaxias era reflejada gravitacionalmente por la materia entre ellas y la Tierra. La observación notó que la materia se extendió un 8,3% de manera menos brusca de lo predicho por el modelo de fría materia oscura.
Una vez más, esta anomalía podría desaparecer con un mejor análisis de los datos, o una modificación del modelo de la materia oscura fría. O podría estar diciéndonos que el modelo es básicamente incorrecto.
Midiendo la constante de Hubble
Al tercer conflicto entre Lambda-CDM y las observaciones se le conoce como la “tensión de Hubble”. El término se refiere a la constante de Hubble, una medida de la tasa de expansión actual del universo. Hay dos formas de medirla y se contradicen entre sí.
Una forma es observar variaciones sutiles en la temperatura de la radiación cósmica de fondo. Estas variaciones quedaron impresas en la radiación por el “fluido” de la materia y la radiación al comienzo del tiempo. Estas observaciones permiten conocer parámetros cosmológicos clave.
El satélite europeo Planck, por ejemplo, descubrió que el universo es un 4,9% de materia ordinaria (atómica), un 26,8% de materia oscura y un 68,3% de energía oscura.
Estas observaciones también revelan la constante de Hubble en el universo temprano y esto puede extrapolarse al tiempo presente. Y aquí radica el problema: el valor extrapolado es aproximadamente un 10% más pequeño que la constante de Hubble que se observa hoy.
Un punto a tener en cuenta es que la constante de Hubble deducida de la radiación cósmica de fondo es muy precisa, porque la física es simple y bien entendida. En cambio, las mediciones de la constante de Hubble en el universo actual son más crudas y están plagadas de problemas.
Tales medidas implican encontrar objetos que se cree que siempre tienen la misma luminosidad intrínseca, como las variables cefeidas y las supernovas de tipo 1a. Al igual que las bombillas estándar de 100 W colocadas en un campo a la medianoche, estas “velas estándar” revelan su distancia relativa con base en qué tan tenues sean.
El problema es que la física de tales estrellas no se comprende bien y puede que no sean tan estándar como esperamos. Entonces, podría ser que estas mediciones de la distancia de las velas estándar sean erróneas, y eventualmente produzcan una constante de Hubble en línea con la de la radiación cósmica de fondo.
Algo completamente nuevo
Por otro lado, podría ser que la naturaleza nos esté diciendo algo nuevo sobre el universo. ”El ‘modelo estándar de cosmología’ es una admisión de la ignorancia”, aseguró el profesor Abraham Loeb, de la Universidad de Harvard.
“Llamamos ‘materia oscura’ y ‘energía oscura’ a componentes cuya naturaleza no conocemos. Como no sabemos cuáles son, es un modelo muy burdo que fácilmente podría ser una simplificación excesiva de la realidad”. Loeb señaló que la materia oscura podría no ser un fluido de un tipo de partícula de materia oscura.
“Puede que no haya una sola partícula de materia oscura, sino más bien una mezcla de partículas de diferentes masas e interacciones”, dijo. La materia oscura podría ser compleja, al igual que la materia ordinaria, que se compone de quarks y electrones que se ensamblan en 92 elementos naturales.
Además, las partículas de materia oscura pueden comportarse de formas complejas. Por ejemplo, podrían decaer con el tiempo, reduciendo su atracción gravitacional y, por lo tanto, quitando los frenos de la expansión cósmica. Tal impulso a la tasa de expansión cósmica aliviaría la tensión del Hubble.
Una forma posible de confirmar o refutar la tensión del Hubble es con “sirenas estándar”, en lugar de velas estándar. Las ondas gravitacionales son vibraciones del espacio-tiempo similares a las ondas sonoras y se cree que la fusión de estrellas de neutrones crea sirenas estándar, como las sirenas de los faros. Cuanto más bajo sea el sonido, más lejos estará la sirena.
“Las fuentes de ondas gravitacionales ofrecen el método más sólido para resolver las incertidumbres que tenemos actualmente”, comentó Loeb. La esperanza es que tales técnicas muestren si las contradicciones actuales entre las diferentes observaciones son reales.
El modelo estándar de cosmología es relativamente simple, a pesar de sus múltiples componentes invisibles. Pero su simplicidad puede cegarnos a la realidad, que puede ser más compleja. ”La naturaleza”, advirtió Loeb, “no tiene la obligación de cumplir con la versión más simple”.
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