El universo se está expandiendo más rápido de lo que predice la teoría: los físicos están buscando nuevas ideas que puedan explicar este desajuste
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| El universo se está expandiendo más rápido de lo que predicen los modelos populares de cosmología. NASA |
Los astrónomos saben desde hace décadas que el universo se está expandiendo. Cuando utilizan telescopios para observar galaxias lejanas, ven que estas galaxias se están alejando de la Tierra.
15 noviembre 2023.- Para los astrónomos, la longitud de onda de la luz que emite una galaxia es mayor cuanto más rápido se aleja la galaxia de nosotros. Cuanto más lejos está la galaxia, más se ha desplazado su luz hacia las longitudes de onda más largas en el lado rojo del espectro, por lo que mayor es el "desplazamiento al rojo".
Debido a que la velocidad de la luz es finita, rápida, pero no infinitamente rápida, ver algo lejano significa que estamos mirando la cosa como se veía en el pasado. Con galaxias distantes y de alto corrimiento al rojo, estamos viendo la galaxia cuando el universo estaba en un estado más joven. Entonces, el "alto corrimiento al rojo" corresponde a los primeros tiempos del universo, y el "bajo corrimiento al rojo" corresponde a los últimos tiempos del universo.
Pero a medida que los astrónomos estudiaron estas distancias, descubrieron que el universo no sólo se está expandiendo: su tasa de expansión se está acelerando. Y esa tasa de expansión es incluso más rápida de lo que la teoría principal predice que debería ser, lo que deja a los cosmólogos desconcertados y buscando nuevas explicaciones.
Energía oscura y una constante cosmológica
Los científicos llaman energía oscura a la fuente de esta aceleración . No estamos muy seguros de qué impulsa la energía oscura o cómo funciona, pero creemos que su comportamiento podría explicarse por una constante cosmológica , que es una propiedad del espacio-tiempo que contribuye a la expansión del universo.
A Albert Einstein se le ocurrió originalmente esta constante: la marcó con una lambda en su teoría de la relatividad general . Con una constante cosmológica , a medida que el universo se expande, la densidad de energía de la constante cosmológica permanece igual.
Imagina una caja llena de partículas. Si el volumen de la caja aumenta, la densidad de las partículas disminuirá a medida que se expandan para ocupar todo el espacio de la caja. Ahora imagina la misma caja, pero a medida que aumenta el volumen, la densidad de las partículas permanece igual.
No parece intuitivo, ¿verdad? Que la densidad de energía de la constante cosmológica no disminuya a medida que el universo se expande es, por supuesto, muy extraño, pero esta propiedad ayuda a explicar la aceleración del universo.
Un modelo estándar de cosmología
En este momento, la principal teoría, o modelo estándar, de cosmología se llama "Lambda CDM ". Lambda denota la constante cosmológica que describe la energía oscura y CDM significa materia oscura fría. Este modelo describe tanto la aceleración del universo en sus últimas etapas como la tasa de expansión en sus primeros días.
Específicamente, el Lambda CDM explica las observaciones del fondo cósmico de microondas, que es el resplandor de la radiación de microondas de cuando el universo estaba en un "estado caliente y denso " unos 300.000 años después del Big Bang. Las observaciones realizadas con el satélite Planck , que mide el fondo cósmico de microondas , llevaron a los científicos a crear el modelo Lambda CDM.
Ajustar el modelo Lambda CDM al fondo cósmico de microondas permite a los físicos predecir el valor de la constante de Hubble , que en realidad no es una constante sino una medida que describe la tasa de expansión actual del universo.
Pero el modelo Lambda CDM no es perfecto. La tasa de expansión que los científicos han calculado midiendo distancias a las galaxias, y la tasa de expansión descrita en Lambda CDM utilizando observaciones del fondo cósmico de microondas , no se alinean. Los astrofísicos llaman a ese desacuerdo la tensión de Hubble.
La tensión del Hubble
Durante los últimos años, se ha estado investigando formas de explicar esta tensión del Hubble. La tensión puede estar indicando que el modelo Lambda CDM está incompleto y los físicos deberían modificar su modelo, o podría indicar que es hora de que los investigadores propongan nuevas ideas sobre cómo funciona el universo. Y las nuevas ideas son siempre lo más apasionante para un físico.
Una forma de explicar la tensión de Hubble es modificar el modelo Lambda CDM cambiando la tasa de expansión con un corrimiento al rojo bajo, en momentos tardíos del universo. Modificar el modelo de esta manera puede ayudar a los físicos a predecir qué tipo de fenómenos físicos podrían estar causando la tensión de Hubble.
Por ejemplo, tal vez la energía oscura no sea una constante cosmológica sino el resultado de que la gravedad funcione de nuevas maneras. Si este es el caso, la energía oscura evolucionaría a medida que el universo se expande, y el fondo cósmico de microondas, que muestra cómo era el universo sólo unos años después de su creación, tendría una predicción diferente para la constante de Hubble.
Pero una última investigación ha descubierto que los físicos no pueden explicar la tensión de Hubble simplemente cambiando la tasa de expansión en el universo tardío; toda esta clase de soluciones se quedan cortas.
Desarrollando nuevos modelos
Para estudiar qué tipos de soluciones podrían explicar la tensión de Hubble, los astrofísicos han desarrollado herramientas estadísticas que nos permiten probar la viabilidad de toda la clase de modelos que cambian la tasa de expansión en el universo tardío. Estas herramientas estadísticas son muy flexibles y se utilizan para igualar o imitar diferentes modelos que potencialmente podrían ajustarse a las observaciones de la tasa de expansión del universo y podrían ofrecer una solución a la tensión de Hubble.
Los modelos que se han probado incluyen modelos de energía oscura en evolución, donde la energía oscura actúa de manera diferente en diferentes momentos del universo. También se probaron modelos de interacción entre energía oscura y materia oscura, donde la energía oscura interactúa con la materia oscura, y modelos de gravedad modificados, donde la gravedad actúa de manera diferente en diferentes momentos del universo.
Pero ninguno de estos podría explicar completamente la tensión del Hubble. Estos resultados sugieren que los físicos deberían estudiar el universo primitivo para comprender la fuente de la tensión de Hubble.
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