El astrónomo Rafael Bachiller descubre en esta serie los fenómenos más espectaculares del Cosmos. Temas de investigación palpitante, aventuras astronómicas y noticias científicas sobre el Universo analizadas en profundidad.
Una constante que no es constante
Durante los últimos cien años, desde el descubrimiento del Big Bang, la expansión del universo ha sido objeto de acalorados debates que han pasado por altibajos, pero que hoy están tomando un nuevo impulso. Los astrónomos no están de acuerdo con la velocidad de expansión del universo. Estos debates se han centrado en el valor de la constante de Hubble, el parámetro que mide la tasa de expansión que, aproximadamente, es de alrededor de 70 kilómetros por segundo y por megaparsec (km / s / Mpc).
Al menos, se puede decir que estas son unidades raras. Un megaparsec es una unidad de distancia que equivale a 3.26 millones de años luz, una magnitud conveniente si consideramos la estructura a gran escala del universo. Pero, ¿qué significado físico tiene la constante de Hubble? ciertamente todo esto requiere una explicación, pero, para no perder el hilo, ofreceremos esa explicación (que solo contiene una fórmula, y fácil) al final de este artículo.
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Hace solo dos décadas se descubrió que la expansión del universo se acelera, y esto, junto con el hecho de que el universo se diluye a medida que se expande, se traduce en el hecho de que la “constante” del Hubble está cambiando ligeramente a medida que avanza en el tiempo. Así que, para expresarnos correctamente, no deberíamos hablar de la constante del Hubble, sino del “parámetro” (H) del Hubble. Aquí, para simplificar, nos centraremos en el valor actual de H, es decir, en la actualidad, este valor de H en el universo actual (local) es designado por Ho.
Un siglo de controversia
Poco después del descubrimiento del Big Bang, las primeras estimaciones de Ho eran tan burdas que la edad que resultó para el universo era más corta que la edad de la Tierra. La gran astrónoma Henrietta Leavitt desarrolló un método que utilizaba estrellas variables (las llamadas cefeidas) como faros para indicar las distancias de las galaxias. Pero aún así, con este poderoso método, hace solo 30 años, las mediciones de Ho provenían de dos familias de astrónomos que parecían irreconciliables. Una serie de astrónomos midieron valores de alrededor de 50 km / s / Mpc, mientras que otra escuela encontró valores del orden de 100 km / s / Mpc.
Finalmente, en 2001, otra astrónoma americana, Wendy Freeman (Univ. Chicago), observando un gran número de cefeidas con el telescopio espacial Hubble, determinó un valor mucho más fiable: 72 km / s / Mpc, con una incertidumbre del 10%. En los últimos años, estas medidas se han ido perfeccionando cada vez más, la cosmología se ha convertido en una ciencia de la precisión. Además de las cefeidas, se han incluido otros indicadores de distancia (como las supernovas de tipo Ia). Y gracias a todo esto, se ha determinado Ho = 73.5 km/s/Mpc, con solo un 2% de incertidumbre.
Mientras tanto, el descubrimiento de la expansión acelerada del universo llevó a un modelo cosmológico, llamado CDM, en el que la energía oscura (es designada como) responsable de la aceleración del universo y representa el 68.4% de la composición total del universo… El 26.5% consistiría en materia oscura fría (MDL) y el 4.9% en materia ordinaria. A esto hay que añadir la masa de neutrinos (poco conocidos) y otros efectos para llegar al 100% total. Utilizando este modelo y los fantásticos datos obtenidos por el satélite Planck de la ESA, el valor actual de Ho puede extrapolarse del universo primitivo, que resulta ser de 67.4 km/s/Mpc, con un 1% de incertidumbre. Y otros datos obtenidos por el proyecto de observación cosmológica Dark Energy Survey (DES) obtienen exactamente el mismo valor, aunque con una incertidumbre del 2%.
Tenso debate
Cabe destacar que, aunque todas las mediciones se refieren al valor actual de Ho, la primera (con cefeidas y supernovas) se realiza utilizando datos del universo actual (local), mientras que la segunda (con Planck y DES) utiliza datos del universo primitivo y extrapola el valor de H al universo actual. Pues bien, las diferencias entre ambos conjuntos de medidas son muy significativas desde el punto de vista estadístico: las mediciones realizadas en el universo local muestran un valor de Ho que es un 9% mayor que la extrapolación de los datos del universo primitivo.
Y de nuevo parece que no hay reconciliación posible. Todos los astrónomos discuten sobre la alta calidad de sus mediciones, la bondad de su método, y dicen que han repetido mil veces los procesos de reducción de datos. El debate se llevó a cabo en un importante congreso que reunió hace unos meses en Berlín a 130 cosmólogos, entre ellos algunos de los más prestigiosos del mundo y, ocasionalmente, el Premio Nobel. Estas largas discusiones continúan en la literatura científica y en todas las ocasiones posibles, y monopolizan el presente en la cosmología. Por el momento no hay ningún acuerdo posible. Este debate, que, como vemos, ha alcanzado grandes dimensiones, ha sido rebautizado como la Tensión del Hubble.
Una parte en diez mil millones
Algunos cosmólogos teóricos ya despilfarran la imaginación tratando de encontrar una posible salida. Algunos argumentan que la materia oscura podría ser destruida a medida que el universo evoluciona o, al menos, perder parte de su capacidad para frenar la expansión. Otros buscan la razón en las variaciones en la densidad de la materia oscura. Todas estas ideas no van más allá de la especulación en este momento, pero hay un consenso creciente de que algún ingrediente de lo que se ha venido a llamar “nueva física” será necesario para resolver la controversia. Puede ser necesario modificar ligeramente algunas de las leyes fundamentales de la física, admitiendo por ejemplo pequeñas variaciones en la ley de la gravedad.
En mi opinión, considero esencial continuar con las observaciones. Por ejemplo, Wendy Freeman acaba de publicar un nuevo estudio, basado en observaciones de estrellas rojas gigantes, que encuentra un valor intermedio entre las dos anteriores (69.8 km/s/MPc) con una incertidumbre del 2%. Un valor que añade más combustible al fuego del debate.
Debemos lograr mayor precisión en las observaciones y eliminar todas las fuentes de error que se puedan encontrar en los procesos interpretativos. Para ello, sería ideal poder medir la expansión directamente. Es decir, medir la distancia a una galaxia distante, repetir la medición después de un tiempo y así obtener la expansión directamente, sin ningún ejercicio de interpretación, o extrapolaciones del universo primitivo. El problema es que, como señalamos al final de este artículo, la expansión del universo en un año es algo menos de una parte en diez mil millones. Separando las medidas durante diez años tendríamos que apreciar una parte entre mil millones. Esto, que es completamente imposible hoy en día, puede ser factible dentro de diez o veinte años con los grandes telescopios y radiotelescopios (como el ELT o el SKA) que ahora están en construcción.
También interesante: la Ley Hubble-Lemaître
La expansión del universo está expresada por la Ley Hubble-Lemaître, una ecuación muy simple que relaciona linealmente la velocidad (V) a la que dos galaxias cualesquiera están separadas con la distancia (d) que media entre ellas: V = H x d, donde H es la constante de Hubble. Vemos que la expansión no se puede describir con una sola velocidad, la naturaleza es un poco más compleja. En realidad, cuando hablamos de la expansión del universo nos estamos refiriendo a la expansión del espacio que fue creado en el Big Bang. Similar a lo que sucede con la expansión de un metal, es apropiado describir la expansión del espacio con un coeficiente, la constante de Hubble, que hasta cierto punto juega el papel de ese coeficiente de expansión.
Supongamos que H = 70 km / s / Mpc. Por ejemplo, dos galaxias separadas por 100 megaparsecs se están separando a una velocidad V = 7000 km/s. Otras dos galaxias que están a 101 megaparsecs de distancia se separarán a 7070 km/s. Y por cada megaparsec adicional, la velocidad se incrementará en 70 km/s. Por lo tanto, en un millón de años, dos galaxias separadas inicialmente por 100 megaparsecs habrán separado 7.000 parsecs adicionales (unos 23.000 años luz). En un año, cada longitud L del espacio se expande en un porcentaje ligeramente inferior a una parte en diez mil millones.