Descubren una anomalía en el cosmos que puede cambiar lo que sabemos de la realidad

El gran físico ruso y premio Nobel Lev Landau comentó una vez: “Los cosmólogos a menudo se equivocan, pero nunca dudan”. Al estudiar la historia del universo, siempre existe la posibilidad de que nos equivoquemos por completo, pero nunca permitimos que esto obstaculice nuestras investigaciones.

Hace unos días, una nueva nota de prensa anunció hallazgos revolucionarios del Instrumento de Espectroscopía de Energía Oscura ( DESI ), instalado en el Telescopio Mayall en Arizona. Este amplio estudio, que contiene la posición de 15 millones de galaxias, constituye el mayor mapeo tridimensional del universo hasta la fecha. Para contextualizar, la luz de las galaxias más remotas registradas en el catálogo DESI se emitió hace 11 000 millones de años, cuando el universo tenía aproximadamente una quinta parte de su edad actual.

Los investigadores de DESI estudiaron una característica en la distribución de las galaxias que los astrónomos denominan “oscilaciones acústicas bariónicas”. Al compararla con observaciones del universo primitivo y las supernovas, han podido sugerir que la energía oscura —la misteriosa fuerza que impulsa la expansión de nuestro universo— no es constante a lo largo de la historia del universo.

Una visión optimista de la situación es que tarde o temprano se descubrirá la naturaleza de la materia y la energía oscuras. Los primeros atisbos de los resultados de DESI ofrecen al menos una pequeña esperanza de lograrlo.

Sin embargo, eso podría no suceder. Podríamos buscar y no lograr ningún avance en la comprensión de la situación. Si eso ocurre, tendríamos que replantearnos no solo nuestra investigación, sino el estudio mismo de la cosmología. Tendríamos que encontrar un modelo cosmológico completamente nuevo, uno que funcione tan bien como el actual, pero que también explique esta discrepancia. Huelga decir que sería una tarea ardua.

Para muchos interesados ​​en la ciencia, esta es una perspectiva emocionante y potencialmente revolucionaria. Sin embargo, este tipo de reinvención de la cosmología, y de hecho de toda la ciencia, no es nueva, como se argumenta en el libro de 2023 The Reinvention of Science.

La búsqueda de dos números.

Allá por 1970, Alan Sandage escribió un artículo muy citado apuntando a dos números que nos acercan a respuestas sobre la naturaleza de la expansión cósmica. Su objetivo era medirlos y descubrir cómo cambian con el tiempo cósmico. Esos números son la constante de Hubble, H₀, y el parámetro de desaceleración, q₀.

El primero de estos dos números nos dice cómo de rápido se está expandiendo el universo. El segundo es la firma de la gravedad: como fuerza de atracción, la gravedad debería actuar contra la expansión cósmica. Algunos datos han mostrado una desviación de la Ley de Hubble-Lemaître, del cual el segundo número de Sandage, q₀, es una medida.

No se pudo encontrar ninguna desviación significativa de la línea recta que marcaba Hubble hasta que en 1997 se lograron avances importantes. El Supernova Cosmology Project de Saúl Perlmutter y el Equipo de búsqueda de SN de alta Z liderado por Adam Riess y Brian Schmidt. El objetivo de estos proyectos era buscar y seguir supernovas que explotan en galaxias muy distantes.

Estos proyectos encontraron una clara desviación de la línea recta simple de la Ley de Hubble-Lemaître, pero con una diferencia importante: la expansión del universo se está acelerando, no desacelerando. Perlmutter, Riess y Schmidt atribuyeron esta desviación a la constante cosmológica de Einstein, que está representada por la letra griega Lambda, Λ, y está relacionada con el parámetro de desaceleración.

Su trabajo les valió el Premio Nobel de Física 2011.

Energía oscura: el 70% del universo

Sorprendentemente, esta materia Lambda, también conocida como energía oscura, es el componente dominante del universo. Ha estado acelerando la expansión del universo hasta el punto en que la fuerza de la gravedad es anulada y representa casi el 70% de la densidad total del universo.

Sabemos poco o nada sobre la constante cosmológica, Λ. De hecho, ni siquiera sabemos que es una constante. Einstein dijo por primera vez que había un campo de energía constante cuando creó su primer modelo cosmológico derivado de la Relatividad General en 1917, pero su solución no fue ni expandirse ni contraerse. Era estático e inmutable, por lo que el campo tenía que ser constante.

Construir modelos más sofisticados que contuvieran este campo constante fue una tarea más fácil: los derivó el físico belga Georges Lemaître, amigo de Einstein. Los modelos cosmológicos estándar hoy en día se basan en el trabajo de Lemaître y se denominan Modelo Lambda-CDM (ΛMDL).

Las mediciones DESI por sí solas son completamente consistentes con este modelo. Sin embargo, al combinarlos con observaciones del fondo cósmico de microondas y supernovas, el modelo que mejor se ajusta es aquel que involucra una energía oscura que evolucionó a lo largo del tiempo cósmico y que (potencialmente) ya no será dominante en el futuro. En resumen, esto significaría que la constante cosmológica no explica la energía oscura.

El ‘Big Crunch’

En 1988, el premio Nobel de Física de 2019 PJE Peebles escribió un artículo con Bharat Ratra sobre la posibilidad de que exista una constante cosmológica que varíe con el tiempo. Cuando publicaron este artículo, no había ninguna opinión seria sobre Λ.

Esta es una sugerencia atractiva. En este caso, la fase actual de expansión acelerada sería transitoria y terminaría en algún momento en el futuro. Otras fases de la historia cósmica han tenido un comienzo y un final: la inflación, la era dominada por la radiación, la era dominada por la materia, etc.

Por lo tanto, el predominio actual de la energía oscura puede disminuir a lo largo del tiempo cósmico, lo que significa que no sería una constante cosmológica. El nuevo paradigma implicaría que la expansión actual del universo podría eventualmente revertirse hacia un ‘Big Crunch’.

Otros cosmólogos son más cautelosos, entre ellos Carl Sagan, quien sabiamente dijo que “afirmaciones extraordinarias requieren evidencia extraordinaria. “Es crucial tener múltiples líneas de evidencia independientes que apunten a la misma conclusión. Aún no hemos llegado a ese punto.

Las respuestas pueden provenir de uno de los proyectos en curso en la actualidad, no solo DESI, sino también Euclides y J-PAS – cuyo objetivo es explorar la naturaleza de la energía oscura a través del mapeo de galaxias a gran escala.

Si bien el funcionamiento del cosmos en sí es objeto de debate, una cosa es segura: se vislumbra en el horizonte una época fascinante para la cosmología.