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Comprobado, ¡el universo se expande cada vez más rápido!

En 1998 los astrónomos prueban la teoría más 'loca' de Einstein, una misteriosa energía que contrarresta la gravedad y acelera la expansión del universo.

04 septiembre 2020

La naturaleza y el destino final del universo han preocupado a filósofos y científicos durante siglos. Los científicos descubrieron hace décadas que el universo se está expandiendo actualmente, con sus galaxias separándose en todas direcciones. Pero el tirón de la gravedad podría ralentizar esa expansión, por lo que los investigadores han tratado de averiguar el destino final del cosmos: si hay suficiente materia para hacer que un día el universo colapse sobre sí mismo, o si se expandirá para siempre. En 1998, dos equipos de astrónomos escudriñaron un enorme abismo de tiempo y espacio para responder a esa pregunta fundamental, y se asombraron incluso a sí mismos con lo que encontraron. (Noticia publicada en Science en diciembre de 1998 tras el comunicado de ESO)

En un triunfo de la capacidad de los astrónomos para mirar profundamente en el pasado, los equipos independientes llegaron a sus conclusiones al observar estrellas lejanas en explosión llamadas supernovas que resultan ser sorprendentemente tenues, revelando una aceleración que los ha arrastrado a distancias inesperadamente grandes desde Tierra. Con estos resultados, alcanzando miles de millones de años luz en el espacio, los astrónomos han ganado un punto de apoyo seguro en los confines más profundos y misteriosos del pasado cósmico. Denominamos sus hallazgos, que transforman nuestra visión del universo y plantean nuevas preguntas fundamentales para la física, como Avance del año 1998.

Para darle más dramatismo al hallazgo, la explicación más simple para la expansión acelerada del universo es una energía extraña que a gran escala contrarresta la gravedad, separando la materia, una idea que Albert Einstein postuló en 1917 y luego rechazó. Los descubrimientos de este año sugieren que la mayor parte de la energía del universo está en esta forma, que Einstein llamó la constante cosmológica o lambda. Debido a que la materia y la energía son intercambiables, esta enorme reserva de energía significa que el universo de la materia, desde mesas y sillas hasta estrellas y cúmulos de galaxias, puede ser solo una parte menor de la creación.

Estas implicaciones son tan profundas e inquietantes que los astrónomos de todo el mundo todavía están tratando de refutar el hallazgo, de descubrir cualquier cosa que pueda desacreditar la aceleración cósmica. Hasta la fecha no han tenido éxito.

Aceleración del universoEl brillo de una supernova que se desvanece mostró lo rápido que se expande el universo./
Crédito: A. RIESS, W.LI, A. FILIPPENKO / UC BERKELEY

En 1917, cuando Einstein propuso la constante, tanto él como otros científicos pensaban que el universo era estático, que no se expandía ni colapsaba. Colocó la repulsión cósmica en sus ecuaciones para evitar que el universo colapsara sobre sí mismo debido a la atracción gravitacional de la materia dentro de él.

Pero en 1929, el astrónomo Edwin Hubble miró al cielo y sorprendió al mundo científico de su época al descubrir que el universo sí que se está expandiendo. Nacido en un estado denso y caliente llamado Big Bang, el cosmos ha sido comparado con una exhibición de fuegos artificiales. Al igual que las cenizas que se desvanecen en los fuegos artificiales, las galaxias que inicialmente estaban cerca unas de otras hoy se están separando lentamente, mientras que las que comenzaron un poco más separadas se alejan unas de otras a velocidades más altas. Desde nuestro punto de vista en la Vía Láctea, la velocidad a la que cualquier otra galaxia se aleja puede cronometrarse utilizando el "corrimiento al rojo" de su luz, una caída en la frecuencia y un aumento en la longitud de onda similar a la caída en el tono del silbato de un tren que se aleja. 

Pero medir la distancia real de una galaxia es difícil. Hubble lo logró observando el brillo aparente de las estrellas llamadas variables cefeidas, cuyo brillo se conoce; por tanto, estas estrellas pueden utilizarse como "estándares" para medir la distancia, ya que las Cefeidas más distantes parecen más tenues. Hubble comparó los corrimientos al rojo con las distancias y descubrió la expansión.

Einstein aceptó el hallazgo de Hubble. Pero razonó que si la expansión era una reliquia de una explosión primitiva, la constante cosmológica que, en su opinión, hacía que las ecuaciones no fueran estéticas, no era necesaria. Retiró la idea y la llamó su "mayor error".

A medida que los cosmólogos continuaron trabajando con la idea de un cosmos en expansión, llegaron a la conclusión de que durante los primeros 12 a 15 mil millones de años de vida del universo, la expansión se ralentizaría ligeramente, gracias al tirón de la gravedad que cada galaxia ejerce sobre todas las demás. Pero detectar tal cambio requiere sondear profundamente en el pasado, mirando estrellas que brillan a miles de millones de años luz de distancia. Más allá de las cefeidas.

Sin embargo, durante los últimos 20 años, los astrónomos han recurrido a un nuevo tipo de estándar: las supernovas, en concreto el tipo de supernova más brillante. Pero estas explosiones masivas y cegadoras son raras: solo dos o tres hacen erupción en una galaxia espiral típica por milenio. Para encontrar suficientes de ellas, los astrónomos hacen imágenes electrónicas de grandes franjas de cielo en una sola noche, capturando decenas de miles de galaxias distantes, y luego toman imágenes de las mismas áreas unas semanas más tarde. Una vez que las imágenes se superponen y en una computadora, las nuevas supernovas saltan a la vista y se pueden observar hasta que se desvanecen.

Los dos equipos, que tienen miembros en Europa, América Latina, Australia y Estados Unidos, recopilaron sus datos de telescopios de ESO sobre supernovas con una eficiencia creciente en los últimos años, esperando descubrir cuánta gravedad estaba frenando la expansión cósmica. A principios de este año, ambos equipos anunciaron que sus expectativas se habían invertido: la relativa oscuridad de las supernovas mostró que están entre un 10% y un 15% más alejadas de lo esperado, lo que indica que la expansión se ha acelerado frente a las expectativas miles de millones de años. 

Ese hallazgo resucita la idea de una misteriosa repulsión que contrarresta la gravedad, con lambda como el candidato más probable. Hubo indicios anteriores, de las teorías de la evolución cósmica y las observaciones de la estructura a gran escala del universo, de que el cosmos tiene poca masa y que podría haber una lambda, pero la idea generalmente se consideró extravagante. Ahora lambda es respetable una vez más, y Einstein tiene razón, aunque por razones que no pudo haber previsto. De hecho, lambda parece ser dominante en el universo: en la imagen teórica más simple, los datos de la supernova implican que el 70% de la energía del universo está en forma de lambda y solo el 30% es materia.

La constante cosmológica permanece en el ámbito de la teoría; nadie conoce todavía la naturaleza precisa de la energía que hace que el universo se separe cada vez más rápido. 

Lo que ya está comprobado con datos es que, no solo hay muy poca materia en el universo para detener la expansión por sí solo, sino que el movimiento hacia afuera parece acelerarse, no desacelerarse. Al mismo tiempo, el hallazgo plantea preguntas tan profundas sobre la naturaleza del espacio que los cosmólogos se preguntan si el destino final del universo puede conocerse con certeza.

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