El misterio de cuán grande es realmente nuestro universo

Esto pinta algo o no

La respuesta podría revelar si todo lo que creíamos saber sobre física está bien o está mal.

Comencemos diciendo que el universo es grande. Se estima que si miramos en cualquier dirección sus regiones visibles más lejanas se encuentran a unos 46.000 millones de años luz de distancia.

Eso supone tener un diámetro de 540 sextillones de millas (o 54 seguido de 22 ceros).

Pero esta es realmente nuestra mejor suposición: nadie sabe exactamente qué tan grande es realmente el universo.

Esto se debe a que solo podemos ver hasta donde la luz (o más exactamente la radiación de microondas arrojada por el Big Bang) ha viajado desde su origen.

Desde que el universo comenzó a existir hace aproximadamente 13.800 millones de años, se ha estado expandiendo.

Pero debido a que tampoco conocemos su edad precisa, resulta complicado precisar hasta qué punto se extiende más allá de los límites de lo que podemos ver.

Sin embargo, una propiedad que los astrónomos han intentado utilizar para resolver esto es un número conocido como la constante de Hubble.

"Es una medida de qué tan rápido se está expandiendo el universo en el momento actual", dice Wendy Freedman, astrofísica de la Universidad de Chicago que ha pasado su carrera midiéndolo.

"La constante de Hubble establece la escala del universo, tanto su tamaño como su edad", añade.

Hay que pensar en el universo como un globo que se infla.

Como puntos en su superficie, a medida que las estrellas y las galaxias se separan entre sí más rápidamente, mayor es la distancia entre ellas.

Desde nuestra perspectiva, esto significa es que cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja.

Desafortunadamente, cuanto más miden los astrónomos este número, más parece desafiar las predicciones basadas en nuestra comprensión del universo.

¿Qué está mal?

Un método para medirlo directamente nos da un cierto valor, mientras que otra medición, que se basa en nuestra comprensión de otros parámetros sobre el universo, dice algo diferente.

O las medidas son incorrectas o hay algo defectuoso en la forma en que pensamos que funciona nuestro universo.

Pero los científicos creen ahora que están más cerca de encontrar una respuesta en gran parte gracias a nuevos experimentos y observaciones destinadas a descubrir exactamente qué es realmente la constante de Hubble.

"A lo que nos enfrentamos como cosmólogos es un desafío de ingeniería: ¿cómo medimos esta cantidad de la manera más precisa y exacta posible?", dice Rachael Beaton, astrónoma que trabaja en la Universidad de Princeton.

Para enfrentar este desafío, dice, no solo se requiere conseguir los datos para medir, sino también verificar las mediciones de tantas formas como sea posible.

"Desde mi perspectiva como científico, esto es más como armar un rompecabezas que estar dentro de un misterio al estilo de Agatha Christie".

La primera medición de la constante de Hubble realizada en 1929 por el astrónomo que le da nombre, Edwin Hubble, la colocó en 500 km por segundo por megaparsec (km/s/Mpc).

El pársec o parsec es una unidad de longitud utilizada en astronomía equivalente a 3,26 millones de años luz.

Ese valor calculado por el científico significa que por cada megaparsec más lejos de la Tierra que miras, las galaxias que ves se alejan de nosotros 500 km/s más rápido que las que están a un megaparsec más cerca.

Más de un siglo después de la primera estimación de Hubble de la tasa de expansión cósmica, ese número se ha revisado a la baja una y otra vez.

Las estimaciones de hoy lo sitúan entre 67 y 74 km/s/Mpc.

Parte del problema es que la constante de Hubble puede ser diferente dependiendo de cómo se mida.Tira y afloja cósmico

La mayoría de las descripciones de la discrepancia de la constante de Hubble dicen que hay dos formas de medir su valor.

Una observa qué tan rápido se alejan de nosotros las galaxias cercanas, mientras que la segunda usa el fondo cósmico de microondas (CMB), la primera luz que escapó después del Big Bang.

Todavía hoy podemos ver esta luz, pero debido a que las partes distantes del universo se alejan de nosotros, la luz se ha estirado en ondas de radio.

Estas señales de radio, descubiertas por primera vez en la década de 1960 por accidente, nos dan la idea más temprana posible de cómo era el universo.

Dos fuerzas en competencia, la atracción de la gravedad y el empuje hacia afuera de la radiación, jugaron un tira y afloja cósmico con el universo en su infancia.

Esto creó perturbaciones que aún se pueden ver dentro del fondo cósmico de microondas como pequeñas diferencias de temperatura.

Usando estas perturbaciones, es posible medir qué tan rápido se expandía el universo poco después del Big Bang y esto se puede aplicar al Modelo Estándar de Cosmología para deducir la tasa de expansión actual.

Este Modelo Estándar es una de las mejores explicaciones que tenemos de cómo comenzó el Universo, de qué está hecho y qué vemos a nuestro alrededor hoy.

Pero hay un problema.Divergencias

Cuando los astrónomos intentan medir la constante de Hubble observando cómo las galaxias cercanas se alejan de nosotros, obtienen una cifra diferente.

"Si el modelo [estándar] es correcto, entonces los dos valores, lo que mides hoy localmente y el valor que infieres de las primeras observaciones estarían en línea", dice Freedman. "Y no lo hacen".

Cuando el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) midió las discrepancias en el CMB, primero en 2014 y luego nuevamente en 2018, el valor que obtuvo para la constante de Hubble es de 67,4 km/s/Mpc.

Pero esto es alrededor de un 9% menos que el valor que los astrónomos como Freedman han medido al observar galaxias cercanas.

Otras mediciones del CMB en 2020 utilizando el Telescopio de Cosmología de Atacama se correlacionaron con los datos del satélite Planck.

"Esto ayuda a descartar que hubo un problema sistemático con un par de fuentes de Planck", dice Beaton.

Si las mediciones de CMB eran correctas, solo dejaba dos posibilidades: o las técnicas que utilizan luz de galaxias cercanas estaban apagadas o el Modelo Estándar de Cosmología debe cambiarse.Estrella cefeida

La técnica utilizada por Freedman y sus colegas aprovecha un tipo específico de estrella llamada cefeida variable.

Descubiertas hace unos 100 años por una astrónoma llamada Henrietta Leavitt, estas estrellas cambian su brillo, haciéndolo cada vez más débil y luego más brillante durante días o semanas.

Leavitt descubrió que cuanto más brillante es la estrella, más tiempo tarda en iluminarse, luego se atenúa y luego vuelve a brillar.

Ahora, los astrónomos pueden saber exactamente qué tan brillante es realmente una estrella al estudiar estos pulsos de brillo.

Al medir qué tan brillante nos parece en la Tierra y saber que la luz se atenúa en función de la distancia, proporciona una forma precisa de medir la distancia a las estrellas.

Freedman y su equipo fueron los primeros en usar variables cefeidas en galaxias vecinas a la nuestra para medir la constante de Hubble utilizando datos del telescopio espacial Hubble.

En 2001, lo midieron a 72 km/s/Mpc.

Desde entonces, el valor del estudio de las galaxias locales ha rondado el mismo punto.

Utilizando el mismo tipo de estrellas, otro equipo utilizó el telescopio espacial Hubble en 2019 para llegar a una cifra de 74 km/s/Mpc.

Luego, solo unos meses después, otro grupo de astrofísicos utilizó una técnica diferente que involucraba la luz proveniente de los cuásares para obtener un valor de 73 km/s/Mpc.

Si estas medidas son correctas, entonces se puede pensar que el universo podría crecer más rápido de lo que permiten las teorías del Modelo Estándar de Cosmología.

Podría significar que este modelo, y con él nuestro mejor intento de describir la naturaleza fundamental del universo, debe actualizarse.

En la actualidad, la respuesta no es segura, pero si resulta ser así, las implicaciones podrían ser profundas.

"Podría indicarnos que a nuestro modelo estándar le falta algo", dice Freedman.

"Todavía no sabemos la razón por la que esto está sucediendo, pero es una oportunidad para avanzar hacía un descubrimiento".Dos consecuencias principales

Si el Modelo Estándar está equivocado, una de las primera cosas que podría significar es que nuestros modelos de de que está compuesto el universo, las cantidades relativas de materia bariónica o "normal", materia oscura, energía oscura y radiación, no son del todo correctas.

Además, si el universo se expande realmente más rápido de lo que pensamos, podría ser mucho más joven que los 13.800 millones de años que actualmente se piensa que tiene.

Una explicación alternativa para la discrepancia es que la parte del universo en la que vivimos es de alguna manera diferente o especial en comparación con el resto del universo, y esa diferencia está distorsionando las medidas.

"Está lejos de ser una analogía perfecta, pero puedes pensar en cómo se modifica la velocidad o la aceleración de tu automóvil si subes o bajas una colina, incluso si estás aplicando la misma presión al pedal del acelerador", dice Beaton.

"Creo que es poco probable que sea la causa última de la discrepancia en la constante de Hubble que vemos, pero también creo que es importante no ignorar el trabajo realizado en esos resultados".

Pero los astrónomos creen que están más cerca de determinar cuál es la constante de Hubble y cuál de las medidas es correcta.

"Lo que es emocionante es que creo que realmente resolveremos esto en un plazo bastante corto, ya sea en un año, dos o tres", dice Freedman.

"Hay tantas cosas que se avecinan en el futuro y que van a mejorar la precisión con la que podemos hacer estas mediciones que creo que llegaremos al fondo de esto".

Una de esas cosas es el observatorio espacial Gaia de la ESA, que se lanzó en 2013 y ha estado midiendo las posiciones de alrededor de 1.000 millones de estrellas con un alto grado de precisión.

Los científicos están lo usando para calcular las distancias a las estrellas con una técnica llamada paralaje.

A medida que este observatorio espacial orbita alrededor del Sol, su punto de vista en el espacio cambia, al igual que si cierras un ojo y miras un objeto, y luego miras con el otro ojo, el objeto parece estar en un lugar ligeramente diferente.Telescopio espacial James Webb

Entonces, al estudiar objetos en diferentes épocas del año durante su órbita, Gaia permitirá a los científicos calcular con precisión qué tan rápido se alejan las estrellas de nuestro propio Sistema Solar.

Otra instalación que ayudará a responder la pregunta de cuál es el valor de la constante de Hubble es el telescopio espacial James Webb, que se lanzará a fines de 2021.

Al estudiar las longitudes de onda infrarrojas, permitirá mejores mediciones que no serán oscurecidas por el polvo que hay entre nosotros y las estrellas.

Sin embargo, si descubren que la diferencia en la constante de Hubble persiste, será el momento de desarrollar una nueva física.

Y aunque se han ofrecido muchas teorías para explicar la diferencia, nada encaja del todo con lo que vemos a nuestro alrededor.

Cada teoría potencial tiene una desventaja.

Por ejemplo, podría ser que hubiera otro tipo de radiación en el universo temprano, pero hemos medido el CMB con tanta precisión que no parece probable.

Otra opción es que la energía oscura podría cambiar con el tiempo.

"Parecía una prometedora línea de estudio a seguir, pero ahora existen otras limitaciones sobre cuánto podría cambiar la energía oscura en función del tiempo", dice Freedman.

"Tendría que hacerlo de una manera realmente artificial y eso no parece muy prometedor".

Una alternativa es que había energía oscura presente en el universo temprano que simplemente desapareció, pero no hay una razón obvia por la que haría esto.

Todo esto ha obligado a los científicos a lanzar nuevas ideas que podrían explicar lo que está sucediendo.

"La gente está trabajando muy duro y es emocionante", agrega Freedman.

"El hecho de que nadie se haya dado cuenta de cuál es [la explicación] todavía no significa que no surgirá una buena idea", dice.

Después de todo, dependiendo de lo que revelen estos nuevos telescopios, Beaton y Freedman podrían encontrarse en medio de un misterio digno de una novela de Agatha Christie.

*Abigail Beall es periodista científica independiente y autora de "El arte de la astronomía urbana".