El choque de números cósmicos desafía nuestra mejor teoría del universo | Revista Quanta

A principios de la década de 2000, parecía que los cosmólogos habían resuelto el enigma más grande y complejo de todos: cómo funciona el universo.

"Hubo un momento asombroso en el que, de repente, todas las piezas de la cosmología encajaron", dijo J. Colin Hill, cosmólogo teórico de la Universidad de Columbia.

Todas las formas de estudiar el universo (mapear galaxias y sus estructuras más grandes, detectar explosiones estelares catastróficas llamadas supernovas, calcular distancias a estrellas variables, medir el brillo cósmico residual del universo primitivo) contaban historias que “parecían superponerse”, dijo Hill.

El pegamento que unía las historias se había descubierto unos años antes, en 1998: la energía oscura, una fuerza misteriosa que, en lugar de unir al cosmos, de alguna manera está provocando que se expanda cada vez más rápidamente en lugar de ralentizarse con el tiempo. Cuando los científicos incluyeron este algo cósmico en sus modelos del universo, las teorías y las observaciones encajaron. Redactaron lo que ahora se conoce como el modelo estándar de cosmología, llamado Lambda-CDM, en el que la energía oscura constituye casi el 70% del universo, mientras que otra misteriosa entidad oscura, un tipo de masa invisible que parece interactuar sólo con la materia normal, a través de la gravedad, representa alrededor del 25%. El 5% restante es todo lo que podemos ver: las estrellas, planetas y galaxias que los astrónomos han estudiado durante milenios.

Pero ese momento de tranquilidad fue sólo un breve respiro entre tiempos de lucha. A medida que los astrónomos hicieron observaciones más precisas del universo a lo largo del tiempo cósmico, comenzaron a aparecer grietas en el modelo estándar. Algunas de las primeras señales de problemas provinieron de las mediciones de estrellas variables y supernovas en un puñado de galaxias cercanas: observaciones que, en comparación con el brillo cósmico residual, sugirieron que nuestro universo se rige por reglas diferentes a las que pensábamos, y que un parámetro cosmológico crucial que define qué tan rápido se está separando el universo cambia cuando medirlo con diferentes criterios.

Los cosmólogos tenían un problema, algo que llamaban tensión o, en sus momentos más dramáticos, tensión. humanitaria.

Esas mediciones discordantes sólo se han vuelto más claras en aproximadamente la década desde que surgieron las primeras grietas. Y esta discrepancia no es el único desafío al modelo estándar de la cosmología. Las observaciones de galaxias sugieren que la forma en que Las estructuras cósmicas se han agrupado. con el tiempo puede diferir de nuestra mejor comprensión de cómo el universo actual debería haber crecido a partir de semillas incrustadas en el cosmos primitivo. Y desajustes aún más sutiles provienen de estudios detallados de la primera luz del universo.

Abundan otras inconsistencias. "Hay muchos más problemas menores en otros lugares", afirmó Eleonora Di Valentino, cosmólogo teórico de la Universidad de Sheffield. “Por eso es desconcertante. Porque no se trata sólo de estos grandes problemas”.

Para aliviar estas tensiones, los cosmólogos están adoptando dos enfoques complementarios. Primero, continúan haciendo observaciones más precisas del cosmos, con la esperanza de que mejores datos revelen pistas sobre cómo proceder. Además, están encontrando formas de modificar sutilmente el modelo estándar para adaptarlo a resultados inesperados. Pero estas soluciones suelen ser artificiales y, si resuelven un problema, a menudo empeoran otros.

"La situación en este momento parece un gran desastre", dijo Hill. "No sé qué hacer con esto".

Luz deformada

Para caracterizar nuestro universo, los científicos utilizan un puñado de números, que los cosmólogos llaman parámetros. Las entidades físicas a las que se refieren estos valores son todos engranajes de una máquina cósmica gigante, con cada bit conectado a los demás.

Uno de esos parámetros se relaciona con la fuerza con la que se agrupa la masa. Esto, a su vez, nos dice algo sobre cómo opera la energía oscura, ya que su impulso acelerado hacia afuera entra en conflicto con la atracción gravitacional de la masa cósmica. Para cuantificar la grumosidad, los científicos utilizan una variable llamada S₈. Si el valor es cero, entonces el universo no tiene variación ni estructura, explicó Sunao Sugiyama, cosmóloga observacional de la Universidad de Pensilvania. Es como una pradera plana y sin rasgos distintivos, sin siquiera un hormiguero que rompa el paisaje. Pero si S₈ está más cerca de 1, el universo es como una enorme y escarpada cadena montañosa, con enormes acumulaciones de materia densa separadas por valles de nada. Las observaciones realizadas por la nave espacial Planck del universo primitivo, donde se afianzaron las primeras semillas de estructura, encuentran un valor de 0.83.

Pero las observaciones de la historia cósmica reciente no coinciden del todo.

Para comparar la aglomeración del universo actual con las mediciones del cosmos infantil, los investigadores examinan cómo se distribuye la materia en grandes franjas de cielo.

Contabilizar las galaxias visibles es una cosa. Pero mapear la red invisible sobre la que se encuentran esas galaxias es otra. Para hacerlo, los cosmólogos observan pequeñas distorsiones en la luz de las galaxias, porque el camino que sigue la luz a medida que atraviesa el cosmos se deforma cuando la luz es desviada por el peso gravitacional de la materia invisible.

Al estudiar estas distorsiones (conocidas como lentes gravitacionales débiles), los investigadores pueden rastrear la distribución de la materia oscura a lo largo de los caminos que tomó la luz. También pueden estimar dónde están las galaxias. Con ambos datos a mano, los astrónomos crean mapas 3D de la masa visible e invisible del universo, lo que les permite medir cómo el paisaje de la estructura cósmica cambia y crece con el tiempo.

En los últimos años, tres estudios con lentes débiles han mapeado grandes zonas del cielo: el Dark Energy Survey (DES), que utiliza un telescopio en el desierto de Atacama en Chile; la Encuesta Kilogrados (KIDS), también en Chile; y más recientemente, una encuesta de cinco años realizada por la Hyper Suprime-Cam (HSC) del Telescopio Subaru en Hawai'i.

Hace unos años, las encuestas DES y KIDS produjeron S₈ valores más bajos que los de Planck, lo que implica cadenas montañosas más pequeñas y picos más bajos que los que creó la sopa cósmica primordial. Pero esos eran sólo indicios tentadores de fallas en nuestra comprensión de cómo crecen y se conglomeran las estructuras cósmicas. Los cosmólogos necesitaban más datos y esperaban con impaciencia los resultados del Subaru HSC, que se publicaron en una serie de cinco artículos en diciembre.

El equipo del Subaru HSC examinó decenas de millones de galaxias que cubrían unos 416 grados cuadrados en el cielo, o el equivalente a 2,000 lunas llenas. En su pedazo de cielo, el equipo calculó una S₈ valor de 0.78, en línea con los resultados iniciales de estudios anteriores, y menor que el valor medido a partir de las observaciones del telescopio Planck de la radiación del universo temprano. El equipo de Subaru tiene cuidado al decir que sus mediciones sólo "insinúan" una tensión porque no han alcanzado el nivel de significación estadística en el que se basan los científicos, aunque están trabajando para agregar otros tres años de observaciones a sus datos.

"Si esto S₈ "La tensión es realmente cierta, hay algo que aún no entendemos", dijo Sugiyama, quien dirigió uno de los análisis del Subaru HSC.

Los cosmólogos ahora están estudiando minuciosamente los detalles de las observaciones para descubrir fuentes de incertidumbre. Para empezar, el equipo de Subaru estimó las distancias a la mayoría de sus galaxias basándose en su color general, lo que podría dar lugar a imprecisiones. "Si se equivocan en las estimaciones de distancia [promedio], también se equivocarán algunos de los parámetros cosmológicos que le interesan", dijo un miembro del equipo. Raquel Mandelbaum de la Universidad Carnegie Mellon.

Además de eso, estas mediciones no son fáciles de realizar y presentan sutiles complejidades de interpretación. Y la diferencia entre la apariencia deformada de una galaxia y su forma real (la clave para identificar la masa invisible) es a menudo muy pequeña, dijo. Diana Scognamiglio del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. Además, el desenfoque de la atmósfera de la Tierra puede alterar ligeramente la forma de una galaxia, que es una de las razones por las que Scognamiglio está liderando un análisis de lentes débiles utilizando el Telescopio Espacial James Webb de la NASA.

Para añadir más confusión, los científicos de los equipos DES y KIDS recientemente volvió a analizar sus medidas juntos y derivaron un S₈ valor más cercano a los resultados de Planck.

Así que por ahora el panorama es confuso. Y algunos cosmólogos aún no están convencidos de que los diversos S₈ Las medidas están en tensión. "No creo que haya un indicio obvio de una falla catastrófica importante allí", dijo Hill. Pero, añadió, "no es inverosímil que pueda estar sucediendo algo interesante".

Donde las grietas son evidentes

Hace una docena de años, los científicos vieron los primeros indicios de problemas con las mediciones de otro parámetro cosmológico. Pero se necesitaron años para acumular datos suficientes para convencer a la mayoría de los cosmólogos de que se enfrentaban a una crisis total.

En resumen, las mediciones de la velocidad con la que se expande el universo hoy en día (conocidas como constante de Hubble) no coinciden con el valor que se obtiene al extrapolar del universo primitivo. El enigma se conoce como la tensión de Hubble.

Para calcular la constante de Hubble, los astrónomos necesitan saber a qué distancia están los objetos. En el cosmos cercano, los científicos miden distancias utilizando estrellas llamadas variables cefeidas que cambian periódicamente de brillo. Existe una relación bien conocida entre la rapidez con la que una de estas estrellas pasa de la más brillante a la más débil y la cantidad de energía que irradia. Esa relación, que se descubrió a principios del siglo XX, permite a los astrónomos calcular el brillo intrínseco de la estrella y, al compararlo con su brillo, pueden calcular su distancia.

Utilizando estas estrellas variables, los científicos pueden medir distancias a galaxias de hasta unos 100 millones de años luz de nosotros. Pero para ver un poco más lejos y un poco más atrás en el tiempo, utilizan un marcador de milla más brillante: un tipo específico de explosión estelar llamada supernova de tipo Ia. Los astrónomos también pueden calcular el brillo intrínseco de estas “velas estándar”, lo que les permite medir distancias a galaxias a miles de millones de años luz de distancia.

Durante las últimas dos décadas, estas observaciones han ayudado a los astrónomos a fijar un valor sobre qué tan rápido se está expandiendo el universo cercano: aproximadamente 73 kilómetros por segundo por megaparsec, lo que significa que a medida que se mira más lejos, por cada megaparsec (o 3.26 millones de años luz) ) de distancia, el espacio vuela 73 kilómetros por segundo más rápido.

Pero ese valor choca con uno derivado de otro gobernante incrustado en el universo infantil.

Al principio, el universo era plasma abrasador, una sopa de partículas fundamentales y energía. “Fue un desastre”, dijo Vivian Poulin-Détolle, cosmóloga de la Universidad de Montpellier.

Una fracción de segundo en la historia cósmica, algún suceso, tal vez un período de aceleración extrema conocido como inflación, envió sacudidas (ondas de presión) a través del plasma turbio.

Luego, a medida que el universo se enfrió, la luz que estaba atrapada en la niebla de plasma elemental finalmente se liberó. Esa luz, el fondo cósmico de microondas o CMB, revela esas primeras ondas de presión, del mismo modo que la superficie de un lago congelado se aferra a las crestas superpuestas de ondas congeladas en el tiempo, dijo Poulin-Détolle.

Los cosmólogos han medido la longitud de onda más común de esas ondas de presión congeladas y la han utilizado para calcular un valor para la constante de Hubble de 67.6 km/s/Mpc, con una incertidumbre inferior al 1%.

Los valores peculiarmente discordantes (aproximadamente 67 versus 73) han encendido un encendido debate en cosmología que aún no ha sido resuelto.

Los astrónomos están recurriendo a marcadores de millas cósmicas independientes. Durante los últimos seis años, wendy freedman de la Universidad de Chicago (que ha trabajado en la constante de Hubble durante un cuarto de siglo) se ha centrado en un tipo de estrella roja antigua que normalmente vive en las partes exteriores de las galaxias. Allí afuera, menos estrellas brillantes superpuestas y menos polvo pueden conducir a mediciones más claras. Utilizando esas estrellas, Freedman y sus colegas han medido una tasa de expansión de alrededor de 70 km/s/Mpc, "lo que en realidad concuerda bastante bien con las Cefeidas", dijo. "Pero también concuerda bastante bien con el fondo de las microondas".

Ahora ha recurrido al potente ojo infrarrojo de JWST para abordar el problema. Con sus colegas, está midiendo distancias a estas estrellas rojas gigantes en 11 galaxias cercanas y al mismo tiempo mide distancias a las cefeidas y a un tipo de estrella de carbono pulsante en esas mismas galaxias. Esperan publicar los resultados en algún momento de esta primavera, pero ya, dijo, "los datos parecen realmente espectaculares".

"Estoy muy interesado en ver qué encuentran", dijo Hill, que trabaja para comprender los modelos del universo. ¿Estas nuevas observaciones ampliarán las grietas en el modelo favorito de la cosmología?

¿Un nuevo modelo?

A medida que las observaciones continúan limitando estos parámetros cosmológicos cruciales, los científicos intentan ajustar los datos a sus mejores modelos de cómo funciona el universo. Quizás mediciones más precisas resuelvan sus problemas, o quizás las tensiones sean solo un artefacto de algo mundano, como peculiaridades de los instrumentos que se utilizan.

O tal vez los modelos estén equivocados y se necesitarán nuevas ideas –una “nueva física”.

"O no hemos sido lo suficientemente inteligentes como para idear un modelo que realmente se ajuste a todo", dijo Hill, o "puede que, de hecho, haya múltiples piezas de nueva física en juego".

¿Cuáles podrían ser? Quizás un nuevo campo de fuerza fundamental, dijo Hill, o interacciones entre partículas de materia oscura que aún no entendemos, o nuevos ingredientes que aún no forman parte de nuestra descripción del universo.

Algunos nuevos modelos de física modifican la energía oscura, agregando una oleada de aceleración cósmica en los primeros momentos del universo, antes de que los electrones y los protones se fusionaran entre sí. "Si la tasa de expansión pudiera aumentarse de alguna manera, sólo un poco durante un tiempo en el universo primitivo", dijo Marc Kamionkowski, cosmóloga de la Universidad Johns Hopkins, “se puede resolver la tensión del Hubble”.

Kamionkowski y uno de sus estudiantes de posgrado propusieron la idea en 2016, y dos años después delineó algunas firmas que un telescopio de fondo cósmico de microondas de alta resolución debería poder ver. Y el Telescopio Cosmológico de Atacama, ubicado en una montaña en Chile, vio algunas de esas señales. Pero desde entonces, otros científicos han demostrado que el modelo crea problemas con otras medidas cósmicas.

Ese tipo de modelo ajustado, en el que un tipo adicional de energía oscura surge por un momento y luego se desvanece, es demasiado complicado para explicar lo que está sucediendo, dijo Dragan Huterer, cosmólogo teórico de la Universidad de Michigan. Y otras soluciones propuestas a la tensión de Hubble tienden a coincidir aún peor con las observaciones. Están “irremediablemente sintonizados”, dijo, como historias sencillas que son demasiado específicas para estar en sintonía con la idea arraigada desde hace mucho tiempo de que las teorías más simples tienden a vencer a las complejas.

Los datos que llegarán el próximo año pueden ayudar. En primer lugar estarán los resultados del equipo de Freedman que analizará diferentes sondas de la tasa de expansión cercana. Luego, en abril, los investigadores revelarán los primeros datos del mayor estudio cosmológico del cielo hasta la fecha, el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura. Más adelante este año, el equipo del Telescopio de Cosmología de Atacama (y los investigadores que crean otro mapa de fondo primordial utilizando el Telescopio del Polo Sur) probablemente publicarán sus resultados detallados del fondo de microondas a mayor resolución. Las observaciones en el horizonte más distante provendrán del Euclid de la Agencia Espacial Europea, un telescopio espacial que se lanzó en julio, y del Observatorio Vera C. Rubin, una máquina de mapeo de todo el cielo que se está construyendo en Chile y que estará en pleno funcionamiento en 2025.

Puede que el universo tenga 13.8 millones de años, pero nuestra búsqueda para comprenderlo (y nuestro lugar dentro de él) aún está en su infancia. Todo en cosmología encajaba hace apenas 15 años, en un breve período de tranquilidad que resultó ser un espejismo. Las fisuras que aparecieron hace una década se han abierto de par en par, creando fisuras mayores en el modelo favorito de la cosmología.

“Ahora”, dijo Di Valentino, “todo ha cambiado”.

Nota del editor: varios científicos mencionados en este artículo han recibido financiación del Fundación Simons, que también financia esta revista editorialmente independiente. Las decisiones de financiación de la Fundación Simons no influyen en nuestra cobertura. Más detalles son disponible aquí.