Una revolución cosmológica: estamos a punto de descubrir una física completamente nueva

Durante los últimos años, una serie de controversias ha sacudido los sólidos cimientos del campo de la cosmología. En pocas palabras, las predicciones del modelo estándar del universo parecen estar en desacuerdo con algunas observaciones recientes.

Se están llevando a cabo intensos debates sobre si estas observaciones están sesgadas o si el modelo cosmológico, que predice la estructura y evolución de todo el universo, necesita una revisión. Algunos incluso afirman que la cosmología está en crisis. Ahora mismo, no sabemos cuál será el desenlace. Pero lo emocionante es que estamos a punto de descubrirlo.

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Para ser justos, las controversias forman parte del desarrollo normal del método científico. Y a lo largo de los años, el modelo cosmológico estándar ha tenido su cuota de ellas. Este modelo sugiere que el universo está compuesto por un 68,3 % de “energía oscura” (una sustancia desconocida que provoca que la expansión del universo se acelere), un 26,8 % de materia oscura (una forma de materia aún por descubrir) y un 4,9 % de átomos ordinarios, medidos con gran precisión a partir del fondo cósmico de microondas, el resplandor de radiación remanente del Big Bang.

El modelo estándar explica con éxito una multitud de datos tanto a gran como a pequeña escala del universo. Por ejemplo, puede explicar cosas como la distribución de galaxias a nuestro alrededor y la cantidad de helio y deuterio creados en los primeros minutos del universo. Quizás lo más importante es que también puede explicar a la perfección el fondo cósmico de microondas.

El James Webb y otros observatorios están poniendo patas arriba nuestras predicciones y estableciendo el terreno para una nueva física que explique el cosmos. (NASA)

Esto le ha otorgado la reputación de ser el “modelo de concordancia”. Sin embargo, una tormenta perfecta de mediciones inconsistentes —o "tensiones", como se conocen en cosmología— está cuestionando la validez de este modelo que ha perdurado durante tanto tiempo.

Tensiones incómodas

El modelo estándar hace ciertas suposiciones sobre la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura. Sin embargo, a pesar de décadas de intensas observaciones, aún no estamos más cerca de averiguar de qué están hechas la materia y la energía oscuras.

La prueba más importante es la llamada "tensión de Hubble". Esto se refiere a la constante de Hubble, que es la tasa de expansión del universo en la actualidad. Cuando se mide en nuestro universo cercano, a partir de la distancia a estrellas pulsantes en galaxias cercanas, llamadas cefeidas, su valor es de 73 km/s por megapársec (Mpc es una unidad de medida de distancias en el espacio intergaláctico). Sin embargo, cuando se predice teóricamente, el valor es de 67,4 km/s por Mpc. La diferencia puede no parecer grande (solo un 8 %), pero es estadísticamente significativa.

La tensión de Hubble se conoció hace aproximadamente una década. En ese momento, se pensaba que las observaciones podrían estar sesgadas. Por ejemplo, las cefeidas, aunque muy brillantes y fáciles de observar, estaban agrupadas junto a otras estrellas, lo que podría haberlas hecho parecer aún más brillantes. Esto podría haber hecho que la constante de Hubble fuera más alta en un pequeño porcentaje en comparación con la predicción del modelo, creando así una tensión artificial.

Con la llegada del Telescopio Espacial James Webb (JWST), que puede separar las estrellas individualmente, se esperaba obtener una respuesta a esta tensión.

Impresión artística del océano cósmico de gas frío en el corazón de un cúmulo embrionario de galaxias, aproximadamente a 10.000 millones de años luz de distancia de la Tierra (ESO/M. Kornmesser)

Frustrantemente, esto aún no ha sucedido. Los astrónomos ahora utilizan otros dos tipos de estrellas además de las cefeidas (conocidas como estrellas del "Extremo de la Rama Gigante Roja" (TRGB) y estrellas del "Rango Asintótico de la Rama Gigante J" (JAGB)). Pero mientras que un grupo ha informado de valores de las estrellas JAGB y TRGB que están tentadoramente cerca del valor esperado por el modelo cosmológico, otro grupo ha afirmado que aún encuentran inconsistencias en sus observaciones. Mientras tanto, las mediciones de las cefeidas continúan mostrando una tensión de Hubble.

Es importante señalar que, aunque estas mediciones son muy precisas, podrían estar sesgadas por ciertos efectos únicos asociados a cada tipo de medición. Esto afectará la precisión de las observaciones de manera diferente para cada tipo de estrellas. Una medición precisa pero inexacta es como intentar tener una conversación con alguien que siempre malinterpreta el mensaje. Para resolver los desacuerdos entre datos contradictorios, necesitamos mediciones que sean tan precisas como exactas.

La buena noticia es que la tensión de Hubble es una historia en rápida evolución. Quizás tengamos la respuesta dentro de uno o dos años. Mejorar la precisión de los datos, por ejemplo, incluyendo estrellas de galaxias más lejanas, ayudará a aclarar esta cuestión. Del mismo modo, las mediciones de las ondas gravitacionales —las ondulaciones en el espacio-tiempo— también nos ayudarán a precisar la constante.

El físico y matemático ruso Alexander Friedmann (en la imagen) usó las observaciones del astrónomo americano Edwin Hubble para desarrollar las ecuaciones que describen cómo se expande el universo en 1922.

Esto podría justificar el modelo estándar. O podría insinuar que falta algo en él. Quizás la naturaleza de la materia oscura o la forma en que la gravedad se comporta en escalas específicas sea diferente a lo que creemos actualmente. Pero antes de descartar el modelo, hay que asombrarse por su precisión sin igual. Apenas falla por unos pocos puntos porcentuales, mientras extrapola más de 13.000 millones de años de evolución.

Para ponerlo en perspectiva, incluso los movimientos planetarios del sistema solar solo se pueden predecir con fiabilidad durante menos de mil millones de años, después de lo cual se vuelven impredecibles. El modelo cosmológico estándar es una máquina extraordinaria.

La tensión de Hubble no es el único problema para la cosmología. Otro, conocido como la "tensión S8", también está generando complicaciones, aunque no a la misma escala. Aquí, el modelo tiene un problema de homogeneidad, ya que predice que la materia en el universo debería estar más agrupada de lo que realmente observamos, con una diferencia de aproximadamente un 10 %. Hay varias maneras de medir la "aglomeración" de la materia, por ejemplo, analizando las distorsiones en la luz de las galaxias producidas por la supuesta materia oscura que interviene a lo largo de la línea de visión.

Actualmente, parece haber consenso en la comunidad de que es necesario aclarar las incertidumbres en las observaciones antes de descartar el modelo cosmológico. Una posible forma de aliviar esta tensión es comprender mejor el papel de los vientos gaseosos en las galaxias, que pueden expulsar parte de la materia y hacer que el universo parezca más homogéneo.

Comprender cómo se relacionan las mediciones de la aglomeración de materia a pequeña escala con las de mayor escala también ayudaría. Las observaciones podrían sugerir que necesitamos cambiar la forma en que modelamos la materia oscura. Por ejemplo, si en lugar de estar compuesta enteramente de partículas frías y de movimiento lento, como asume el modelo estándar, la materia oscura podría estar mezclada con algunas partículas calientes y de rápido movimiento. Esto ralentizaría el crecimiento de la aglomeración en los últimos tiempos cósmicos, lo que aliviaría la tensión S8.

Los tres misteriosos objetos detectados en el universo primitivo por el Webb. (NASA-ESA)

El JWST ha destacado otros desafíos para el modelo estándar. Uno de ellos es que las primeras galaxias parecen ser mucho más masivas de lo esperado. Algunas galaxias podrían pesar tanto como la Vía Láctea hoy en día, a pesar de haberse formado menos de mil millones de años después del Big Bang, lo que sugiere que deberían ser menos masivas.

Sin embargo, las implicaciones contra el modelo cosmológico son menos claras en este caso, ya que podría haber otras explicaciones posibles para estos sorprendentes resultados. La clave para resolver este problema radica en mejorar la medición de la masa estelar en las galaxias. En lugar de medirlas directamente, lo que no es posible, inferimos estas masas a partir de la luz emitida por las galaxias.

Este paso implica algunas suposiciones simplificadoras, que podrían traducirse en una sobreestimación de la masa. Recientemente, también se ha argumentado que parte de la luz atribuida a las estrellas en estas galaxias es generada por potentes agujeros negros. Esto implicaría que estas galaxias podrían no ser tan masivas como se pensaba.

Teorías alternativas

Entonces, ¿dónde estamos ahora? Aunque algunas tensiones podrían explicarse pronto mediante observaciones más numerosas y precisas, aún no está claro si habrá una resolución para todos los desafíos que afectan al modelo cosmológico.

No han faltado ideas teóricas para intentar corregir el modelo —quizás demasiadas, en el rango de varios cientos y subiendo. Es una tarea desconcertante para cualquier teórico que desee explorar todas ellas.

Las posibilidades son muchas. Quizás necesitemos cambiar nuestras suposiciones sobre la naturaleza de la energía oscura. Podría tratarse de un parámetro que varía con el tiempo, como han sugerido algunas mediciones recientes. O tal vez necesitemos añadir más energía oscura al modelo para potenciar la expansión del universo en épocas tempranas, o, por el contrario, en tiempos más tardíos. Modificar cómo se comporta la gravedad en las grandes escalas del universo (de manera diferente a los modelos denominados Dinámica Newtoniana Modificada, o MOND) también podría ser una opción.

Hasta ahora, sin embargo, ninguna de estas alternativas puede explicar la vasta cantidad de observaciones que el modelo estándar sí puede. Incluso más preocupante es que algunas de estas teorías podrían ayudar a resolver una tensión, pero empeorar otras.

La puerta está ahora abierta a todo tipo de ideas que desafían incluso los principios más básicos de la cosmología. Por ejemplo, podríamos necesitar abandonar la suposición de que el universo es "homogéneo e isótropo" en escalas muy grandes, lo que significa que se ve igual en todas direcciones para todos los observadores, y sugiere que no hay puntos especiales en el universo. Otros proponen cambios en la teoría de la relatividad general.

Ilustración de una galaxia con un alto corrimiento al rojo. (Alexandra Angelich/NRAO/AUI/NSF)

Algunos incluso imaginan un universo engañoso, que participa con nosotros en el acto de observación o que cambia su apariencia dependiendo de si lo estamos mirando o no —algo que sabemos que sucede en el mundo cuántico de átomos y partículas.

Con el tiempo, muchas de estas ideas probablemente quedarán relegadas al cajón de las curiosidades teóricas. Pero, mientras tanto, proporcionan un terreno fértil para probar la “nueva física”.

Esto es algo positivo. La respuesta a estas tensiones, sin duda, vendrá de más datos. En los próximos años, una poderosa combinación de observaciones de experimentos como el JWST, el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), el Observatorio Vera Rubin y Euclid, entre muchos otros, nos ayudará a encontrar las respuestas tan buscadas.

Punto de inflexión

Por un lado, datos más precisos y una mejor comprensión de las incertidumbres sistemáticas en las mediciones podrían devolvernos al confort tranquilizador del modelo estándar. De sus problemas anteriores, el modelo podría emerger no solo reivindicado, sino también fortalecido, y la cosmología sería una ciencia tan precisa como exacta.

Pero si el equilibrio se inclina hacia el otro lado, entraremos en un territorio inexplorado, donde habrá que descubrir nueva física. Esto podría llevar a un gran cambio de paradigma en la cosmología, comparable al descubrimiento de la expansión acelerada del universo a finales de los años 90. Pero en este camino, tendremos que enfrentarnos, de una vez por todas, con la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura, dos de los grandes misterios sin resolver del universo.

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Andreea Font es cosmóloga teórica centrada en la formación y evolución de las galaxias, en particular en la formación de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Es lectora en astrofísica teórica de la Liverpool John Moores University. Puedes leer el artículo original en inglés aquí.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation y traducido para Novaceno.