Los científicos no están de acuerdo sobre qué tan rápido se expande el universo y la nueva tecnología lo empeora

Algo muy extraño está pasando en el universo. La ciencia de la cosmología, que estudia el universo a gran escala, se encuentra en estado de crisis. Durante el último siglo, los científicos han encontrado montañas de evidencia de que el universo se está expandiendo con el tiempo, ya que observaron que cuanto más lejos de la Tierra está una galaxia, más rápido se aleja de nosotros.

El problema es que nadie está seguro de qué tan rápido se está produciendo esta expansión. Dos formas diferentes de medir este valor, llamado constante de Hubble, producen dos resultados diferentes. En las últimas décadas, las mejores teorías y experimentos que la humanidad ha podido realizar han luchado por explicar cómo podría ser así.

Por lo general, cuando hay una discrepancia como esta, las tecnologías más nuevas permiten obtener datos experimentales más precisos que ayudan a resolver el misterio. Pero en el caso de este enigma, llamado tensión de Hubble, cuanto más aprendemos, más difícil es explicar la discrepancia.

La escalera de distancia cosmológica

Cuando el Telescopio Espacial Hubble fue lanzado en 1990, uno de sus principales objetivos era investigar la expansión del universo. El debate sobre el ritmo de esta expansión era intenso y los científicos estaban deseosos de dar una respuesta más precisa, porque esta información era crucial para comprender la edad del universo, y en ese momento esa edad podría haber sido tan pequeña como 8 mil millones. años o hasta 20 mil millones de años.

A finales de la década de 2000, los científicos habían perfeccionado una figura observando estrellas que brillaban a un ritmo particular, llamadas variables cefeidas, y un tipo particular de supernova llamada supernovas de tipo Ia . Ambos objetos tienen un nivel predecible de brillo, lo que significa que pueden usarse para medir distancias (céfidos para galaxias más cercanas y supernovas de tipo Ia para las más distantes), por lo que se usan como “velas estándar” para mediciones astronómicas.

Con estas precisas mediciones de distancia, el valor que los científicos del Hubble obtuvieron para la expansión del universo fue de 72 kilómetros por segundo por megaparsec. Esa es una medida de la cantidad de expansión por tiempo y distancia , porque cuanto más lejos están de nosotros las galaxias, más rápido se mueven. Un pársec equivale a 3,26 años luz y un megaparsec equivale a un millón de pársecs. Entonces, si miramos una galaxia a 3,26 millones de años luz de distancia, se alejará de nosotros a unos 70 kilómetros por segundo, o alrededor de 150.000 mph.

Esa medición fue un enorme paso científico hacia adelante, pero aún tenía un error potencial de alrededor del 10%. Investigaciones posteriores lograron reducir este error, centrándose en una cifra reciente de 73,2 km/s/Mpc con una tasa de error inferior al 2%, pero se toparon con las limitaciones físicas del telescopio.

Un nuevo telescopio en la caja de herramientas

Mientras un grupo de astrónomos estaba ocupado con los datos del Telescopio Espacial Hubble, otro buscaba en un lugar bastante diferente, examinando el Fondo Cósmico de Microondas, o CMB. Esta es la energía sobrante del Big Bang y se ve en todas partes como un leve zumbido de fondo constante. Al calcular la constante de Hubble basándose en estos datos, los investigadores encontraron una cifra bastante diferente: 67 km/s/Mpc. Esa diferencia puede parecer pequeña, pero es persistente: cuanto más exactamente cada grupo hacía sus mediciones, más arraigada parecía la división.

Pero cuando se lanzó el telescopio espacial James Webb en 2021, los investigadores tenían una herramienta nueva y aún más precisa para sus mediciones. Un grupo de investigadores, incluido Richard Anderson del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana, se puso a trabajar para verificar las mediciones del Hubble utilizando esta nueva tecnología. Quizás las mediciones del Telescopio Espacial Hubble habían sido inexactas debido a las limitaciones del telescopio, lo que podría explicar las diferentes cifras, y esta nueva herramienta podría ayudar a demostrar si ese era el caso.

La ventaja que tiene James Webb sobre el Hubble en este contexto es una mayor resolución espacial al observar los céfidos. "Anteriormente, cuando tenía una resolución más baja, necesitaba corregir estadísticamente la luz de las fuentes que se mezclaban", explicó Anderson a Digital Trends. Y esta corrección estadística introdujo una pizca de duda en los datos del Hubble. Quizás la tasa de expansión medida por el Hubble fue inexacta, argumentaron algunos, porque las herramientas estadísticas utilizadas para esta corrección eran inexactas.

Sin embargo, con la mejor resolución espacial de los nuevos datos de Webb, esa corrección estadística es mucho menor. "Así que si no tienes que corregir tanto, agregas menos error y tu medición se vuelve más precisa", dijo Anderson. Los datos de Webb no sólo coinciden con las mediciones anteriores del Hubble, sino que también aumentan la precisión de esas mediciones.

La evidencia está disponible y es clara: las mediciones del Hubble sobre la tasa de expansión son correctas. Por supuesto, nada de este complejo se puede probar más allá de cualquier sombra de duda, pero las mediciones son tan precisas como prácticamente podemos hacerlas.

Un problema pegajoso

Entonces, si los datos del telescopio Hubble son correctos, tal vez el problema esté en la otra medición. ¿Tal vez son los datos del Fondo Cósmico de Microondas los que están equivocados?

Sin embargo, eso también es difícil. Porque así como los investigadores estaban refinando la cifra a partir de los datos del Hubble, los investigadores del CMB también estaban haciendo su propia cifra cada vez más precisa. El mayor paso adelante en este campo fue el lanzamiento del observatorio espacial Planck de la Agencia Espacial Europea en 2009. Esta misión fue diseñada específicamente para medir el CMB y adquirió los datos más precisos hasta el momento sobre las pequeñas variaciones de temperatura a lo largo del CMB. Esto es importante porque aunque el CMB está a una temperatura constante en casi todas partes, hay pequeñas variaciones en esta temperatura de 1 parte en 100.000.

Por pequeñas que sean estas variaciones de temperatura, son importantes porque representan variaciones que estaban presentes cuando se estaba formando el universo. Al observar las variaciones tal como existen ahora, los investigadores pueden retroceder el tiempo para comprender cómo debió ser el universo en sus primeras etapas.

Cuando los investigadores utilizaron estos datos de Planck para estimar la expansión del universo, basándose en nuestra comprensión del universo tal como existía cuando era joven, se concentraron en una cifra para la constante de 67,4 km/s/Mpc con un error de menos del 1%. Ya no hay cruce entre las incertidumbres de las dos figuras: ambas son sólidas y no están de acuerdo.

Una historia de expansión

Los científicos han estado estudiando el CMB desde la década de 1960, y durante ese tiempo la investigación ha progresado hasta un grado de precisión que hace que los especialistas confíen en sus hallazgos. Cuando se trata de modelar la inflación del universo en sus primeras etapas, se han vuelto lo más precisos posible, según Jamie Bock de Caltech, investigador privado de la próxima misión SPHEREx de la NASA para investigar el CMB.

"El fondo de microondas está muy cerca de alcanzar los límites cosmológicos de esas medidas", dijo Bock. “En otras palabras, no se puede crear un experimento mejor. Simplemente estás limitado en cuanto a la cantidad de universo que puedes ver”.

SPHEREx será una misión espacial que no tomará medidas directas de la constante de Hubble. Pero ayudará a los investigadores a aprender sobre la historia de la expansión del universo, al investigar un período del universo temprano llamado inflación, cuando el universo se expandió rápidamente. En este período tan temprano, el universo era mucho, mucho más pequeño, más caliente y más denso, y eso afectó la forma en que se expandió. A lo largo de su vida, los factores impulsores más importantes de la expansión del universo han cambiado a medida que éste creció, se enfrió y se volvió menos denso. Sabemos que hoy en día, una forma hipotética de energía llamada energía oscura es la fuerza principal que impulsa la expansión del universo. Pero en otros momentos de la historia del universo, otros factores como la presencia de materia oscura han sido más significativos.

"La trayectoria del universo está determinada por el tipo de materia y energía que predominan en ese momento", explicó Bock. La energía oscura, por ejemplo, “sólo ha comenzado a dominar la expansión del universo en la segunda mitad de la edad del universo. Antes de eso, habría sido la materia oscura la que impulsaría la evolución del universo”.

Una teoría popular sobre la diferencia entre las dos mediciones es que la energía oscura podría ser la culpable. Quizás hubo más energía oscura en el universo primitivo de lo que se cree actualmente, lo que haría que se expandiera más rápido. Podríamos aprender más sobre esta posibilidad con nuevas misiones como Euclid de la ESA , que se lanzó recientemente y tiene como objetivo mapear una enorme porción del universo en 3D para estudiar la materia y la energía oscuras.

Un termómetro para nuestra comprensión del universo

Se puede pensar que los dos valores de la constante de Hubble miden desde el universo tal como lo vemos ahora, llamado universo tardío, en comparación con la medición desde el universo tal como era cuando era joven, llamado universo temprano. Cuando las dos tasas diferentes se calcularon utilizando métodos menos precisos, fue posible que las dos en realidad estuvieran de acuerdo pero simplemente pareciera que estaban más separadas debido a errores superpuestos.

Pero a medida que los científicos han reducido estos errores cada vez más, esa explicación ya no puede funcionar. Cualquiera de las mediciones es errónea (siempre es posible, pero cada vez más improbable dada la montaña de datos sobre cada una) o hay algo fundamental sobre el universo que simplemente no entendemos todavía.

"Lo que tenemos aquí es como un termómetro de cuán buena es nuestra comprensión del cosmos en este momento", dijo Anderson. “Y creo que el termómetro nos dice que tenemos fiebre y que tenemos un problema”.

Y ten en cuenta que la constante de Hubble no es un tema menor. Es una medida fundamental, posiblemente el número más importante en cosmología. Y cuanto más precisas sean nuestras mediciones, más se profundiza el misterio.

Buscando verificación independiente

Esta es otra forma de medir el universo tal como lo vemos ahora, y es observando las ondas gravitacionales. Cuando objetos suficientemente masivos chocan, como dos agujeros negros fusionándose, las enormes fuerzas crean ondas en el espacio-tiempo llamadas ondas gravitacionales, que pueden detectarse a miles de millones de años luz de distancia.

Estas ondas pueden detectarse en la Tierra mediante instalaciones especializadas como LIGO (el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser) y pueden usarse para determinar qué tan lejos está una fuente, lo que significa que, en teoría, también pueden usarse para medir la tasa de expansión.

Esta es una medición tardía del universo, pero también es completamente independiente de las céfidas y supernovas utilizadas en otras investigaciones. Eso significa que si las mediciones de la tasa de expansión parecen similares según los datos de ondas gravitacionales, podríamos estar aún más seguros de que la cifra más alta es correcta, y si no es así, entonces sabríamos mejor dónde está el problema.

La ventaja de utilizar ondas gravitacionales para este tipo de medición es que la firma es muy clara: "lo único que la afecta son masas muy pesadas", dijo el experto en ondas gravitacionales Stefan Ballmer de la Universidad de Syracuse. Y cuando los agujeros negros se fusionan, su comportamiento dinámico es muy consistente, sin importar su tamaño. Eso las convierte en velas estándar ideales para medir distancias: "casi tan buenas como parece", según Ballmer.

Por tanto, medir la distancia con ondas gravitacionales es relativamente sencillo. El desafío de utilizar estas medidas para calcular la tasa de expansión es encontrar la velocidad. Con las supernovas, es fácil conocer el corrimiento al rojo (que da la velocidad) pero difícil saber el brillo absoluto (que da la distancia). Mientras que con las ondas gravitacionales es fácil conocer la distancia pero difícil conocer la velocidad.

Una forma de abordar el problema de la velocidad es buscar fusiones que se produzcan en galaxias cercanas y luego utilizar el corrimiento al rojo conocido de esas galaxias para determinar la velocidad de la onda gravitacional. Esto sólo funciona cuando puedes encontrar la fuente de las ondas gravitacionales y localizarla en algún lugar cercano.

Pero en el futuro, una vez que los científicos observen suficientes eventos de ondas gravitacionales, podrán construir una imagen de cómo se ve el evento promedio y usar esa información para calcular la tasa de expansión a gran escala.

La próxima generación de instalaciones.

Sin embargo, para eso necesitaremos cientos de puntos de datos sobre eventos de ondas gravitacionales, en comparación con los pocos que tenemos ahora. Ésta es un área de investigación muy nueva y nuestra capacidad para detectar ondas gravitacionales todavía está limitada a un pequeño número de instalaciones. Actualmente, las incertidumbres de la tasa de expansión medida mediante ondas gravitacionales son aún mayores que las de los otros dos métodos.

"En este momento, nuestra señal se encuentra justo en el medio entre los otros dos resultados", dijo Ballmer.

Sin embargo, eso podría cambiar en el futuro. Con la próxima generación de detectores de ondas gravitacionales, cuya construcción se planea para las próximas décadas, estas mediciones podrían ser cada vez más precisas.

La profundización de este enigma puede ser una fuente de frustración, pero también ha dado un impulso para nuevos y mejores experimentos a medida que científicos de una amplia gama de campos abordan una de las grandes preguntas sobre el universo tal como lo vemos.

"La única manera de saberlo realmente es mejorar el experimento", dijo Ballmer. "Ese es el mundo en el que vivimos".