La idea ‘menos loca’: la energía oscura temprana podría resolver un enigma cosmológico

En el corazón del modelo del big bang sobre los orígenes cósmicos está la observación de que el universo se expande, algo que los astrónomos saben desde hace casi un siglo. Sin embargo, determinar qué tan rápido se está expandiendo ha sido frustrantemente difícil de lograr. De hecho, es peor que eso: utilizando un tipo de medición, basada en el fondo cósmico de microondas —radiación remanente del big bang—, los astrónomos encuentran un valor para la tasa de expansión del universo. En tanto, otro tipo de medida, basada en observaciones de la luz procedente de estrellas en explosión llamadas supernovas, arroja otro valor. Y los dos números no concuerdan.

A medida que esas mediciones se vuelven cada vez más precisas, ese desencuentro se hace más difícil de explicar. En los últimos años, a la discrepancia incluso se le ha dado un nombre —la “tensión de Hubble”— en honor al astrónomo Edwin Hubble, uno de los primeros en proponer que el universo se está expandiendo.

La tasa de expansión actual del universo se llama “constante de Hubble”, designada con el símbolo H₀. En palabras simples, la constante de Hubble puede predecir qué tan rápido parecerán alejarse entre sí dos objetos celestes —por ejemplo, dos galaxias separadas por una distancia determinada—. Técnicamente, esta velocidad suele expresarse en unidades no muy intuitivas de “kilómetros por segundo por megaparsec” (km/s/mpc). Eso significa que por cada megaparsec (un poco más de 3 millones de años luz —casi 32 trillones de kilómetros—) que separa dos objetos celestes, parecerán distanciarse a una cierta velocidad (generalmente medida en kilómetros por segundo).

Durante décadas, los astrónomos discutieron si esa velocidad (en megaparsec de separación) era cercana a los 50 o más cerca de los 100 kilómetros por segundo. En la actualidad, los dos métodos generan valores para la constante de Hubble de aproximadamente 68 km/s/mpc, por un lado, y alrededor de 73 o 74 km/s/mpc, por el otro.

Puede parecer una diferencia insignificante, pero para los astrónomos, la discrepancia es un gran problema: la constante de Hubble es quizás el número más importante de toda la cosmología. Indica la comprensión que tienen los científicos sobre los orígenes y el futuro del cosmos, y refleja su mejor física —cualquier problema sugiere que pueden faltar piezas en esa física—. Ambas mediciones ahora tienen márgenes de error bastante estrechos, por lo que las dos cifras, por muy cercanas que parezcan, son una fuente de conflicto.

Otra fuente de consternación es la física que impulsa la expansión cósmica —especialmente después del descubrimiento en 1998 de una misteriosa entidad denominada “energía oscura”—.

En el modelo del big bang, el espacio-tiempo comenzó a expandirse hace unos 13.800 millones de años. Más tarde se formaron galaxias y la expansión las arrastró, alejándolas unas de otras. Pero la gravedad hace que la materia atraiga a la materia, lo que debería frenar esa expansión hacia afuera y, eventualmente, tal vez incluso hacer que esas galaxias inviertan su curso. De hecho, la expansión del universo se desaceleró durante los primeros miles de millones de años después del big bang. Luego, extrañamente, se empezó a acelerar de nuevo. Los astrónomos atribuyen ese impulso hacia el exterior a la energía oscura.

Pero nadie sabe qué es realmente la energía oscura. Una posibilidad es que sería un tipo de energía asociada con el espacio vacío conocida como “constante cosmológica”, una idea propuesta por primera vez por Albert Einstein en 1917. Pero también es posible que, en lugar de ser constante, la fuerza del empuje de la energía oscura puede haber variado a lo largo de los eones.

Para el físico teórico Marc Kamionkowski, la tensión de Hubble es un problema urgente. Pero es posible que él y sus colegas hayan encontrado una manera de avanzar —una idea llamada “energía oscura temprana”—. En el Annual Review of Nuclear and Particle Science de 2023, el experto junto a Adam Riess, ambos de la Universidad Johns Hopkins, exploran la naturaleza de la tensión y las perspectivas de eventualmente mediarla.

En 2021, Kamionkowski recibió, junto a Uroš Seljak y Matías Zaldarriaga, el Premio Gruber de Cosmología, uno de los máximos honores en este campo, por desarrollar técnicas para estudiar el fondo cósmico de microondas. Aunque Kamionkowski pasa gran parte de su tiempo trabajando en problemas de astrofísica teórica, cosmología y física de partículas, sus diversos intereses hacen que sea difícil encasillarlo. “Mis intereses son eclécticos y cambian de año en año”, asegura.

Esta entrevista ha sido editada para lograr más claridad.

En su artículo, usted habla de esta idea de “energía oscura temprana”. ¿Qué es eso?

Con la tensión de Hubble tenemos una tasa de expansión del universo que inferimos a partir de la interpretación de las mediciones del fondo cósmico de microondas, y tenemos otra tasa de expansión que inferimos más directamente a partir de datos de supernovas —y no concuerdan—.

Y la mayoría de las soluciones o explicaciones de esta tensión de Hubble implican cambios en la descripción matemática de los componentes y la evolución del universo —el modelo cosmológico estándar—. La mayoría de los primeros esfuerzos por comprender la discrepancia involucraron cambios en el comportamiento tardío del universo, como lo describe el modelo cosmológico estándar. Pero casi todas esas ideas no funcionan, porque postulan una física nueva y muy extraña. E incluso si uno está dispuesto a soportar estos escenarios físicos exóticos e inusuales son inconsistentes con los datos, porque tenemos limitaciones basadas en datos de observación sobre la historia tardía de la expansión del universo que no coinciden con estos escenarios.

Entonces, la otra posibilidad es cambiar algo sobre el modelo de la historia temprana del universo. Y la energía oscura temprana es nuestro primer esfuerzo para lograrlo. Así que esta energía oscura temprana es una clase de modelos en los que la historia de la expansión temprana del universo se altera mediante la introducción de algún nuevo componente exótico de esta materia que llamamos energía oscura temprana.

“Un componente de la materia”… ¿es la energía oscura un tipo de materia?

Es un tipo de “materia”, pero diferente a cualquiera que experimentemos en nuestra vida diaria. También se podría llamar “fluido”, pero, una vez más, no se parece a ningún fluido que tengamos en la Tierra o en el sistema solar.

La energía oscura parece estar alejando a las galaxias unas de otras a un ritmo acelerado, ¿la “energía oscura temprana” agregaría un nuevo tipo de energía oscura a la mezcla?

Bueno, realmente no sabemos qué es la energía oscura, y no sabemos qué es la energía oscura temprana, por lo que es difícil decir si son iguales o diferentes. Sin embargo, la familia de ideas que hemos desarrollado para la energía oscura temprana es más o menos la misma que hemos desarrollado para la energía oscura, pero están activas en un momento diferente.

La constante cosmológica es la hipótesis más simple para algo más conocido como energía oscura, que es algún componente de materia que tiene una presión negativa y la densidad de energía necesaria para dar cuenta de las observaciones. Y la energía oscura temprana es un tipo diferente de energía oscura, en el sentido de que llegaría a ser importante en el universo temprano más que en el universo posterior.

Volviendo a la tensión del Hubble: usted dijo que una medición proviene del fondo cósmico de microondas y otra de datos de supernovas. Cuénteme más sobre estas dos medidas.

El fondo cósmico de microondas es el gas de la “radiación relicta” que quedó del big bang. Hemos medido las fluctuaciones en la intensidad, o temperatura, de ese fondo cósmico de microondas en todo el cielo. Y, al modelar la física que da lugar a esas fluctuaciones, podemos inferir una serie de parámetros cosmológicos (los valores numéricos de los términos en la matemática del modelo cosmológico estándar).

Así que tenemos estas imágenes del fondo cósmico de microondas, que se asemejan a imágenes de ruido —pero el ruido tiene ciertas características que podemos cuantificar—. Y nuestros modelos físicos nos permiten predecir las características estadísticas de esas fluctuaciones del fondo cósmico de microondas. Y al ajustar las observaciones a los modelos, podemos calcular varios parámetros cosmológicos, y la constante de Hubble es uno de ellos.

¿Y el segundo método?

La constante de Hubble también se puede inferir a partir de supernovas, lo que te da un valor mayor. Eso es un poco más directo… Inferimos las distancias a estos objetos viendo qué tan brillantes aparecen en el cielo. Algo que esté más lejos será más tenue que algo que esté cerca. Y luego también medimos la velocidad a la que se aleja de nosotros detectando cambios Doppler en las frecuencias de ciertas líneas de transición atómica. Eso nos da alrededor de 73 o 74 kilómetros por segundo por megaparsec. El fondo cósmico de microondas da un valor de aproximadamente 68.

¿Cuál es el margen de error entre las dos mediciones?

La discrepancia entre los dos resultados es de cinco sigmas, por lo que hay 100.000 probabilidades a una en contra de que sea solo una fluctuación estadística.

La primera pregunta que me viene a la mente sería que tal vez uno de los dos enfoques tuvo algún error sistemático o se pasó por alto algo. Pero estoy seguro de que los expertos han pasado meses o años intentando ver si ese era el caso.

En ninguno de los casos hay un error simple y obvio. Los análisis del fondo cósmico de microondas son complicados, pero directos. Y muchas personas en muchos grupos han realizado estos análisis, con diferentes herramientas y en distintos conjuntos de datos. Y es una medida sólida. Y luego están los resultados de las supernovas. Estos han sido examinados por mucha, mucha gente, y no ha surgido nada obvio que esté mal con la medición.

Para resumir: los datos obtenidos de la radiación del fondo cósmico de microondas (FCM) arrojan un valor para la constante cosmológica, mientras que los datos obtenidos de las supernovas arrojan otro valor un poco más alto. Entonces, ¿qué está pasando? ¿Es posible que haya algo sobre el FCM que no entendamos, o algo sobre las supernovas en lo que estemos equivocados?

Bueno, honestamente, no tenemos idea de lo que está pasando. Una posibilidad es que haya en nuestra interpretación de las mediciones del fondo cósmico de microondas —la forma en que se analiza— algo que falta. Pero, de nuevo, mucha gente ha estado analizando esto durante mucho tiempo y no ha surgido nada obvio.

Otra posibilidad es que falte algo en la interpretación de los datos de la supernova; pero, de nuevo, mucha gente lo ha analizado y no surge nada. Entonces, una tercera posibilidad es que haya alguna física nueva más allá de lo que está en nuestro modelo cosmológico estándar.

¿Puede explicar qué es el modelo cosmológico estándar?

Tenemos un modelo matemático para el origen y la evolución de todo el universo que se ajusta a cinco parámetros —o seis, dependiendo de cómo se cuente— que debemos especificar o ajustar a los datos para dar cuenta de todas las observaciones cosmológicas. Y funciona.

Contraste eso con el modelo del origen de la Tierra o del sistema solar. La Tierra está mucho más cerca; la vemos todos los días. Disponemos de una enorme cantidad de información sobre la Tierra. Pero no tenemos un modelo matemático para su origen que sea tan simple y exitoso como el modelo cosmológico estándar. Es sorprendente que podamos hablar de un modelo físico matemático para el origen y la evolución del universo.

¿Por qué este modelo cosmológico estándar se llama modelo “lambda CDM”?

Es un nombre ridículo. Lo llamamos “lambda CDM”, y CDM significa “materia oscura fría” (en inglés, cold dark matter) y la letra griega lambda significa constante cosmológica. Pero es simplemente un nombre ridículo porque lambda y CDM son solo dos de los ingredientes, y ni siquiera son los más cruciales. Es como llamar a una ensalada “ensalada de sal y pimienta” porque le pones sal y pimienta.

¿Cuáles son los otros ingredientes?

Uno de los otros ingredientes del modelo es que, de las tres posibles geometrías cosmológicas —abierta, cerrada o plana— el universo es plano; esto es, la geometría del espacio-tiempo, en promedio obedece las reglas de la geometría del plano euclidiana. Y la característica crítica del modelo es que el universo primordial es muy, muy uniforme, pero con ondas de muy pequeña amplitud en la densidad del universo que son consistentes con las que se producirían durante un período de inflación en el universo temprano.

Inflación… ¿Esa es la idea de inflación cósmica, un período muy breve en el universo primitivo cuando se expandió muy rápidamente?

La inflación es, en cierto sentido, una idea de lo que puso en marcha el big bang. A principios de la década de los años ochenta, los teóricos de las partículas se dieron cuenta de que las teorías de la física de partículas elementales permitían la existencia de una sustancia que en el universo primitivo podía comportarse temporalmente como una constante cosmológica de enorme amplitud. Esta sustancia permitiría un breve período de expansión cosmológica superacelerada y, por lo tanto, convertiría una pequeña porción preinflacionaria del universo en el enorme universo que vemos hoy. La idea implica que nuestro universo actual es plano, como parece ser ahora, e inicialmente era muy uniforme —lo que es consistente con la uniformidad del CMB— y tiene fluctuaciones de densidad primordiales como las del CMB, que luego proporcionarían las semillas para el posterior crecimiento de galaxias y cúmulos de galaxias.

Entonces, si la energía oscura temprana es real, ¿añadiría un ingrediente más al universo?

Son más ingredientes. Es lo último a lo que quieres recurrir. La nueva física siempre debería ser lo último a lo que recurras. Pero creo que la mayoría de la gente estaría de acuerdo en que es la menos ridícula de todas las explicaciones de la tensión del Hubble. Esa es como la opinión general.

¿Cuál habría sido el papel de la energía oscura primitiva en el universo primitivo?

Su única función es aumentar la densidad de energía total del universo y, por tanto, aumentar la tasa de expansión del universo durante un breve período —en los primeros, digamos, 100.000 años después del big bang—.

¿Por qué una mayor densidad de energía conduce a una mayor tasa de expansión?

Esto es difícil de entender intuitivamente. Una mayor densidad de energía implica un campo gravitacional más fuerte que, en el contexto de un universo en expansión, se manifiesta como una tasa de expansión más rápida. Esto es algo parecido a lo que podría surgir en la dinámica planetaria: según las leyes de Newton, si la masa del Sol fuese mayor, la velocidad de la Tierra en su órbita sería mayor (lo que llevaría a un año más corto).

Y siguiendo eso, usted mencionó los dos enfoques para medir la constante de Hubble; uno de supernovas y otro del CMB. Y esta idea de la energía oscura temprana le permite interpretar los datos del CMB de una manera ligeramente diferente, de modo de obtener un valor ligeramente distinto para la constante de Hubble, uno que se acerque más al valor de la supernova. ¿Es así?

Es correcto.

¿Qué tipo de pruebas habría que hacer para ver si este enfoque es correcto?

Esto es bastante sencillo y estamos avanzando en ello. La idea básica es que los modelos de energía oscura temprana se construyen para ajustarse a los datos que tenemos. Pero las predicciones que se hacen para datos que quizás aún no tengamos pueden diferir de lambda CDM. Y en particular hemos medido las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas. Pero hemos fotografiado el fondo cósmico de microondas con una resolución angular finita, que ha sido de una fracción de grado. Con Planck, el satélite lanzado por la Agencia Espacial Europea en 2009, la resolución era de aproximadamente cinco minutos de arco —equivalente a una sexta parte del ancho aparente de una luna llena—.

Durante la última década hemos tenido experimentos como el Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT, por sus siglas en inglés), y el Telescopio del Polo Sur (SPT, en inglés). Se trata de dos experimentos competitivos de fondo cósmico de microondas de última generación que han estado en marcha durante la última década y siguen mejorando. Y están mapeando el fondo cósmico de microondas con mejor resolución angular, lo que nos permite ver más características de las que podíamos acceder con Planck. Y los modelos de energía oscura temprana hacen predicciones para estas características de escala angular muy pequeña que ahora estamos empezando a resolver y que difieren de las predicciones de lambda CDM. Eso sugiere la posibilidad de una nueva física.

En los próximos años esperamos tener datos del Observatorio Simons, y en una escala de diez años esperamos tener nuevos datos del CMB-S4, este gran proyecto de la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. y el Departamento de Energía de ese país. Y entonces, si hay un problema con lambda CDM, si hay algo diferente en la historia temprana de la expansión del universo más allá de lambda CDM, la esperanza es que lo veamos allí.

¿Existe evidencia que pueda provenir de la física de partículas y que pueda ayudar a decidir si la energía oscura temprana va por el camino correcto?

En principio, algún día tendremos una teoría de la física fundamental que unifique la gravedad cuántica con esta amplia comprensión de las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Y entonces, algún día podríamos tener un modelo que haga eso y digamos, mira, está este nuevo campo escalar adicional por ahí que tendrá exactamente las propiedades que necesitas para la energía oscura temprana. Entonces, en principio, eso podría suceder; en la práctica, no estamos obteniendo mucha orientación en esa dirección.

¿Qué sigue para usted y sus colegas?

Mi interés personal por la cosmología teórica y la astrofísica ha sido realmente ecléctico y suelo saltar de una cosa a otra. Mis colaboradores en el artículo sobre la energía oscura temprana han estado muy, muy concentrados en continuar construyendo y explorando diferentes tipos de modelos de energía oscura temprana. Pero se ha convertido en un esfuerzo de la comunidad en su conjunto.

Así que ahora hay muchas personas, teóricos, por todos lados, pensando en modelos detallados para la energía oscura temprana, siguiendo las predicciones detalladas de esos modelos y comparando de manera minuciosa esas predicciones con las mediciones, a medida que estén disponibles. No es mi máxima prioridad en el día a día de mi investigación. Pero es la máxima prioridad para muchos de los colaboradores que tuve en el trabajo original, y definitivamente es una máxima prioridad para muchas, muchas personas en la comunidad.

Como he dicho, nadie cree que la energía oscura temprana sea una gran idea. Pero todo el mundo está de acuerdo en que es la idea menos loca —el más aceptable de todos los modelos descabellados para explicar la tensión del Hubble—.

Artículo traducido por Daniela Hirschfeld