Datos contradictorios sobre la expansión del universo desafían a los astrónomos
Desde que, a finales de la década de 1920, el astrónomo norteamericano Edwin Hubble descubrió que el universo se expandía, la ciencia ha intentado calcular el ritmo con el cual lo hace. El mismo Hubble realizó una primera estimación, ciertamente imperfecta, y con la mejora de los instrumentos y de las técnicas de observación los astrónomos han podido precisar cada vez más este valor.
Pero en los últimos años se ha ido consolidando un problema: diferentes mecanismos para medir la tasa actual de expansión del espacio (un parámetro que recibe el nombre de constante de Hubble, H0) proporcionan valores ligeramente distintos. Así, los cálculos basados en el análisis de la radiación emitida poco después del Big Bang sugieren un ritmo de expansión cerca de un 8% más lento que el estimado a partir de la observación del universo que nos rodea.
Es la posibilidad real y excitante que hayamos comprendido incorrectamente el universo”
Cuando se empezaron a obtener estas discrepancias, se pensó que probablemente serían debidas a errores en las medidas. Pero con el paso del tiempo, y especialmente con las observaciones que posibilitó la puesta en marcha del telescopio espacial Hubble en la última década del siglo pasado, las divergencias no sólo no desaparecieron, sino que se consolidaron dando lugar al problema que se ha llamado la tensión de Hubble.
Ahora, un estudio liderado por el Nobel de Física del año 2011, el astrofísico norteamericano Adam Riess, y realizado aprovechando la gran precisión del telescopio espacial James Webb, ratifica las divergencias en el valor de H0 y confirma la existencia de uno de los problemas más desconcertantes por lo que se refiere al conocimiento que tenemos de nuestro universo.
Vivimos en un universo en expansión
A principios del siglo pasado, el modelo más aceptado del universo se basaba en un cosmos que era eterno y estático, es decir que ni se expandía ni se colapsaba. Pero la formulación, por parte de Albert Einstein en 1915, de la teoría de la relatividad general significó un punto de inflexión y el inicio de una auténtica revolución.
La relatividad general proporciona un marco teórico al funcionamiento a gran escala de la gravedad y de la evolución del cosmos, y sus fórmulas indicaban que el universo no podía ser estático. Esta predicción era de tal magnitud que el mismo Einstein dudó de sus ecuaciones, y fueron otros científicos, como el clérigo belga Georges Lemaître, los que supieron interpretar correctamente aquello que se derivaba de la gran genialidad de Einstein: el universo debía ser dinámico, debía estar en movimiento.
Albert Einstein y Georges Lemaître, fotografiados juntos el año 1933
Unos años después, en 1929, Edwin Hubble descubría, de forma experimental, que efectivamente el cosmos se expandía tal como predecía la relatividad general. Las observaciones telescópicas de las galaxias indicaban que prácticamente todas se alejaban de nosotros, y lo hacían más deprisa como más lejos se hallaban. Justo lo que cabría esperar de un universo en expansión.
De hecho, un modelo muy simplificado, y que se usa habitualmente para facilitar la comprensión de este fenómeno, es un globo en el cual se han dibujado puntos que evocan galaxias. A medida que el globo se hincha, todos los puntos se separan entre ellos. Cualquier observador, situado en cualquiera de los puntos (es decir, de las galaxias) observará exactamente lo mismo: verá que todas las galaxias parecen alejarse de él, y que lo hacen con más velocidad cuanto más lejos están (aunque, en realidad, ninguno de los puntos se desplaza, sino que es el espacio el que se estira).
El modelo del globo que se hincha para explicar la expansión del universo
Ya en aquel primer momento, Edwin Hubble intentó estimar, a partir de sus observaciones, cuál era la tasa de expansión, y obtuvo un valor que indicaba que por cada megaparsec de distancia (el equivalente a 3,26 millones de años luz), la velocidad de expansión aumentaba en 500 kilómetros por segundo. Sin embargo, sus datos estaban limitados por la precisión de los instrumentos de la época, y posteriores estudios fueron rebajando esta cifra hasta los aproximadamente 70 kilómetros por segundo y por megaparsec. A este parámetro, que indica la tasa actual de expansión del universo, se le denomina constante de Hubble (H0) y, entre otras cosas, permite deducir la edad de nuestro cosmos.
Esta es la gráfica original con la que Edwin Hubble descubrió la expansión del cosmos, y en la que representó las distancias a las galaxias y su velocidad de alejamiento
El descubrimiento de Hubble no sólo significó una demostración de la capacidad predictiva de la nueva relatividad general de Einstein, sino que afianzaba un modelo según el cual nuestro universo debió haber nacido en un instante concreto: el momento en el que había empezado la expansión (este modelo se conoce con el nombre de Big Bang, curiosamente una denominación acuñada por el astrónomo británico Fred Hoyle, totalmente contrario a la idea).
La luz del Big Bang
En 1964, dos astrónomos norteamericanos, Robert Wilson y Arno Penzias, hallaban, de manera fortuita, una enigmática interferencia en el rango de las microondas que se recibía en la radioantena que estaban probando. La interferencia parecía constante y se recibía con independencia del lugar hacia el cual se apuntase el instrumento. Poco después, se llegaba a la conclusión de que aquella radiación que llenaba el espacio era la luz liberada poco después del nacimiento del universo, una de las predicciones que habían realizado los científicos defensores del modelo del Big Bang.
Los descubridores de la radiación cósmica de microondas, Penzias (izquierda) y Wilson, posan ante la antena que utilizaron para el hallazgo
La radiación cósmica de microondas, como se denominó la emisión descubierta por Penzias y Wilson y que les valió el Nobel de Física en 1978, es uno de los principales puntales de la teoría del Big Bang, y el estudio de las diminutas irregularidades que presenta ha permitido desentrañar cómo fueron los primeros instantes de nuestro universo y cuál es su composición.
Expansión acelerada
Las ecuaciones derivadas de la relatividad general predicen que el ímpetu de expansión del universo ha debido variar a lo largo de la historia del cosmos. Efectivamente, los astrónomos han hallado evidencias que indican que la gravedad ralentizó el primer empuje del Big Bang aunque no pudo detenerlo.
Pero uno de los descubrimientos más impactantes vio la luz a finales del siglo pasado, cuando dos equipos de investigadores descubrieron, de manera independiente y mediante la observación de supernovas muy lejanas, que el universo se encuentra, desde hace aproximadamente unos 5.000 millones de años, en una fase de expansión acelerada (la causa sería la denominada energía oscura, un componente mayoritario del cosmos que representa uno de los principales enigmas de la cosmología moderna).
Empiezan los problemas
El análisis detallado de la radiación cósmica de microondas, realizado con datos recolectados por telescopios espaciales, ha posibilitado conocer el valor de ciertos parámetros clave que aparecen en las fórmulas matemáticas que se derivan de la relatividad general y, con ello, calcular cuál es el ritmo actual de expansión del cosmos.
A partir de los datos más precisos de los que se dispone, obtenidos con el telescopio Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA), el valor de la constante de Hubble se ha situado en 67,4 ± 0,5 kilómetros por segundo y por megaparsec.
Mapa de las diminutas irregularidades presentes en la radiación cósmica de microondas, capturadas por el satélite Planck
Pero existen otras formas de estimar el progreso de la expansión del espacio que se basan en la observación del llamado universo cercano. Estos análisis se centran en reproducir el ejercicio original de Edwin Hubble: tabular la velocidad aparente con la que se alejan de nosotros determinados objetos respecto la distancia a la cual se encuentran y estimar, de esta manera, el valor de H0. Uno de los objetos más utilizados son determinados tipos de explosiones supernova (en concreto, las de tipo Ia, provocadas por el estallido de enanas blancas).
El cálculo de la velocidad aparente con la que estos objetos se alejan no representa, en general, grandes dificultades, y se realiza mediante el análisis del espectro de su luz (es decir, la descomposición de la luz a través de un prisma). De forma similar a lo que ocurre con la variación del sonido cuando el emisor se acerca y luego se aleja (el tono varía del agudo al grave), la luz de un objeto queda desplazada hacia el color rojo debido a la expansión del espacio. Así, midiendo el valor de este corrimiento al rojo se puede deducir la velocidad de alejamiento.
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Sin embargo, el cálculo de las distancias a las que se encuentran las supernovas es bastante más complejo. Para ello, los astrónomos recurren a la observación, en las galaxias anfitrionas, de una categoría de estrellas llamadas cefeidas. Estos astros muestran variaciones periódicas en la intensidad de la luz que recibimos y, a principios del siglo XX, Henrietta Swan-Leavitt descubrió que existía una relación entre el periodo de una cefeida y su brillo en origen. De forma que midiendo cuánto tarda una estrella de este tipo en completar un ciclo completo de subida y bajada de luz se puede conocer su luminosidad intrínseca, y comparando ésta con el brillo que observamos desde la Tierra se deduce la distancia a la cual se encuentra (y, consecuentemente, la distancia que nos separa de la galaxia y de la supernova en cuestión).
La curva de variación periódica de una estrella cefeida típica
Cuando se empezó a calcular el valor de H0 de esta forma, las limitaciones de los instrumentos provocaban grandes imprecisiones en los resultados. Pero a partir de la entrada en servicio del telescopio espacial Hubble en 1990, la ciencia pudo estrechar dramáticamente el margen de error y situarlo por debajo del 1%.
Para sorpresa de los astrónomos, los valores que se empezaron a obtener con los datos del Hubble mostraban discrepancias de aproximadamente un 8% respecto de las que se deducían a partir del estudio de la radiación cósmica de microondas. Inicialmente, se pensó que quizás se trataba de errores en las mediciones y que, por tanto, las divergencias se reducirían a medida que se realizasen observaciones más precisas.
Sin embargo, las diferencias en el valor de H0, en lugar de desaparecer se han confirmado progresivamente. Así, uno de los estudios más completos realizados hasta el momento, basándose en la observación de supernovas y cefeidas y utilizando el telescopio espacial Hubble, determinó en 2022 un valor para el ritmo de expansión del universo de 73,0 ± 1,0 kilómetros por segundo y por megaparsec.
El Hubble no se equivocaba
Parece evidente que el valor de H0, que describe el ritmo actual de expansión del universo, debería ser independiente del método de medición (no en vano, a este parámetro se le denomina constante de Hubble). De forma que, ante lo inesperado de la situación, se apuntó la posibilidad que incluso las mediciones realizadas por el telescopio Hubble no fuesen suficientemente precisas.
En concreto, la sospecha recaía sobre el hecho que la observación de cefeidas muy lejanas pudiese evitar que el instrumento detectase la presencia de otras estrellas cercanas a los astros estudiados y que, por tanto, las mediciones de brillo de las cefeidas distantes pudiesen ser incorrectas.
La observación de una estrella cefeida, realizada con el telescopio espacial James Webb (izquierda) y con el Hubble (derecha).
Por ello, los autores del reciente estudio han utilizado las superiores capacidades del telescopio espacial Webb para comprobar la fidelidad de las observaciones de cefeidas del Hubble. El análisis realizado incluye más de 1.000 cefeidas y llega hasta la máxima distancia desde la cual podemos identificar este tipo de estrellas (130 millones de años luz). Y el resultado ha sido contundente: el telescopio Hubble no se equivocaba y, por tanto, se confirma, una vez más, la existencia de las discrepancias en el valor de H0.
¿Hemos entendido mal el universo?
Todavía existe la posibilidad de que estudios basados en objetos aun más lejanos puedan desvelar errores ocultos en las observaciones. Pero en caso de persistir, el problema de la tensión de Hubble puede acarrear importantes consecuencias para los modelos cosmológicos con los que se describe la evolución del universo, ya que sugeriría que existe algo, en los modelos teóricos, que se nos escapa.
Así, el astrofísico Adam Riess, investigador principal del reciente estudio y ganador del Nobel de Física del año 2011 por el descubrimiento compartido de la expansión acelerada del cosmos, ha comentado que “habiendo eliminado la existencia de errores, lo que queda es la posibilidad real y excitante que hayamos comprendido incorrectamente el universo”.