21 de septiembre de 2020
21.09.2020
Gaveta de Astrofísica

Grietas en el modelo de evolución del Universo

20.09.2020 | 23:21
Un miembro del equipo del ESO Ultra HD Expedition observa el cielo desde Cerro Paranal en Chile, quizás preguntándose cuál es la verdadera velocidad de expansión del Universo.

Como hemos leído recientemente en Gaveta de Astrofísica, el poder medir distancias y velocidades a un gran número de galaxias nos ha permitido establecer que el Universo no es estático, sino que se encuentra en permanente expansión. Además, tras el descubrimiento de la energía oscura a principios del siglo XXI, sabemos que esta expansión es cada vez mayor: el Universo se está acelerando.

La expansión del Universo fue descubierta hace cien años gracias a las investigaciones de Henrietta Leavitt, Vesto Slipher y Edwin Hubble. Cuando miramos a galaxias distantes, en cualquier dirección, descubrimos que cuanto más lejos estas están de nosotros, a mayor velocidad se alejan de nosotros. Este mismo hecho lo podemos observar cuando cocinamos, por ejemplo, un bizcocho con pasas. A medida que crece la masa, si nos situamos en una pasa y medimos la distancia y la velocidad a otra, veremos que cuanto más lejos de nosotros está, su velocidad respecto a nosotros será mayor, de acuerdo con un modelo donde el espacio entre todas las pasas se expande (ante la lluvia de críticas que he recibido por usar pasas en un bizcocho, pueden hacer el mismo ejercicio mental pero sustituyéndolas por chips de chocolate).

Los experimentos cosmológicos actuales han proporcionado una confirmación fantástica del modelo cosmológico estándar, obteniendo una precisión en las medidas sin precedentes. Denominamos la constante de Hubble, H0, al ritmo de expansión del Universo en el momento presente, y se estima en setenta kilómetros por segundo por megapársec (km/s/Mpc). Esto significa que a una distancia de un megapársec (3,26 millones de años-luz) el Universo se expande a setenta kilómetros por segundo.

Sin embargo, recientemente, con el aumento de la sensibilidad experimental, han surgido algunas tensiones estadísticamente significativas entre diferentes conjuntos de datos cosmológicos. En este caso, lo que se ha observado es una diferencia entre los valores de la constante de Hubble si la medimos en el Universo cercano, por ejemplo, con supernovas tipo Ia, o si la medimos a partir del Universo lejano, por ejemplo, a partir de datos del fondo cósmico de microondas.

Aunque la diferencia en la medida de H0 no es muy grande (aproximadamente 73 km/s/Mpc en el Universo cercano y aproximadamente 67 km/s/Mpc en el Universo lejano) y podría incluso deberse a errores en las mediciones, la persistencia después de varios años de análisis apunta fuertemente a una grieta en el modelo cosmológico estándar y la necesidad de una nueva física.

Este escenario es actualmente un quebradero de cabeza para la comunidad astrofísica y, al mismo tiempo, una fuente de alegría para muchos físicos y físicas teóricas. Es en estos momentos, ante unos hechos observacionales desconocidos, cuando surge el germen de una nueva teoría que podría revolucionar nuestro entendimiento del Universo.

Así, a día de hoy, existen cientos de teorías que intentan explicar esta aparente discrepancia en la medida de H0. No voy a dar muchos detalles, pero sí les dejo algunas de mis hipótesis preferidas para que el lector o la lectora pueda profundizar más. Una reciente publicación afirma que el posible origen de esta divergencia es la presencia de campos magnéticos primordiales. El magnetismo siempre ha sido un campo de la física generalmente "ignorado" por los cosmólogos, y quizás sea el momento de incorporarlo a nuestros modelos. Otros modelos alternativos nos hablan de la naturaleza misma de la energía oscura. En el modelo estándar, esta se considera que es la constante cosmológica, la energía del vacío. Pero si sustituimos esta por una energía oscura que varía con el tiempo, o que interactúa con la materia oscura, podríamos llegar a solucionar el problema de la constante de Hubble. Finalmente, también podría ser que vivamos en una región del Universo con menor densidad que la media del Universo. Es decir, que sí vivimos en una región del Universo con propiedades un poco diferentes a las de otras partes y así vemos cómo el ritmo de expansión es diferente en nuestro entorno respecto al ritmo global del Universo.

Todavía estamos lejos de solucionar este problema, ¡incluso de saber si realmente existe! En los próximos años, y a medida que vayamos mejorando la precisión de nuestras observaciones, se confirmará si realmente el ritmo de expansión del Universo es diferente en nuestro entorno respecto a lo que se mide en el Universo lejano. Si esto es así, significará la necesidad de un cambio en nuestro entendimiento teórico del Universo y, por tanto, la necesidad de una nueva teoría que explique tanto lo observado anteriormente como esta tensión en la medida de la constante de Hubble. 

Biografía: Aurelio Carnero Rosell nació en Santa Cruz de Tenerife. Su formación académica incluye la Licenciatura en Física por la Universidad de La Laguna y el Doctorado en Ciencias Físicas por la Universidad Complutense de Madrid. Tras seis años en el Observatorio Nacional de Río de Janeiro (Brasil) y otros dos años en el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) en Madrid, actualmente es investigador postdoctoral en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Allí continúa su investigación sobre Cosmología y Física Extragaláctica.

Sección coordinada por Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez

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