Nuestro universo se está desarmando, con las galaxias alejándose una de la otra más vertiginosamente con cada momento que pasa. Los científicos han sabido sobre esta aceleración desde la década de 1990, pero su causa –bautizada como energía oscura — sigue siendo un misterio. Ahora, la última medida de cuán rápido está creciendo el cosmos complica la trama aún más: el universo parece estar hinchándose más rápidamente de lo que debería, incluso después de tener en cuenta el efecto de la expansión acelerada causada por dicha energía oscura.

Los científicos llegaron a esta conclusión después de comparar su nueva medición de la tasa de expansión cósmica, llamada la constante de Hubble, con predicciones de lo que la constante de Hubble debe tener en cuenta según la evidencia de los inicios del universo. El conflicto desconcertante — que fue insinuado en datos anteriores, y confirmado en el nuevo cálculo, significa que una o ambas de las mediciones son defectuosas, o que la energía oscura o algún otro aspecto de la naturaleza actúan diferentemente de lo que se piensa.

“La conclusión es que al parecer el universo se está expandiendo alrededor de un ocho por ciento más rápidamente de lo que uno esperaría basado en cómo se veía en su juventud y cómo esperamos que evolucione”, dice el líder del estudio, Adam Riess, del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland. “Tenemos que tomar esto muy seriamente”. Riess y sus colegas describen sus resultados, basados en observaciones del telescopio espacial Hubble, en un documento presentado la semana pasada al Astrophysical Journal, y publicado en el servidor de preimpresiones arXiv.

Una arruga en la energía oscura

Una de las posibilidades más interesantes es que la energía oscura sea un fenómeno aún más extraño de lo que sugiere la teoría principal. La mayoría de las observaciones apoyan la idea de que la energía oscura se comporta como una "constante cosmológica", un término que Albert Einstein insertó y luego retiró de sus ecuaciones de la relatividad general. Este tipo de energía oscura surgiría del espacio vacío, que, según la mecánica cuántica, no es vacío en absoluto, sino más bien está lleno de pares de partículas y antipartículas "virtuales" que constantemente aparecen y desaparecen. Estas partículas virtuales llevarían energía, la cual a su vez puede ejercer una especie de gravedad negativa que repele hacia afuera todo el contenido del universo.

La discrepancia con la constante de Hubble, sin embargo, sugiere que energía oscura podría cambiar en el tiempo y el espacio, provocando potencialmente una aceleración cada vez mayor del cosmos, en lugar de ser una fuerza constante hacia afuera. Una teoría que propone este tipo de energía oscura se llama quintaesencia, que postula que la energía oscura resulta no del vacío del espacio, sino de un campo que impregna el espacio-tiempo y que puede adquirir diferentes valores en diferentes puntos.

Una explicación alternativa para la discrepancia, sin embargo, es que el universo contiene una partícula fundamental adicional más allá de las que conocemos. En particular, una nueva especie de neutrino, una partícula casi sin masa que viene en tres variedades conocidas hasta ahora — y que podría explicar la divergencia de medidas en la constante de Hubble–. Si existe un tipo adicional de neutrino, más de la energía total del universo tomaría la forma de radiación, en lugar de materia. (Puesto que los neutrinos no tienen casi masa, viajan a casi la velocidad de la luz y por lo tanto cuentan como radiación en este cálculo). Mientras que, como la materia se aglutina bajo gravedad, un mayor presupuesto de radiación habría permitido al universo a expandirse más rápidamente de lo que lo habría hecho de otra manera.

Estas ideas son solo dos de las posibles implicaciones de las nuevas medidas. Otra opción, por ejemplo, es que el universo no es plano, como se pensaba, sino ligeramente curvo. Los teóricos siguen con entusiasmo todas estas y otras nociones, pero los científicos que trabajan en los experimentos dicen que primero deben tratar de encontrar defectos en sus mediciones que puedan explicar la divergencia. “Básicamente algo que no entendemos está ocurriendo en cosmología; o ¿tiene que ver con los datos?”, se pregunta Charles Bennett de la Universidad de Johns Hopkins, quien ha trabajado en las mediciones de la constante de Hubble desde el universo temprano, y no estaba involucrado en el estudio más reciente. "Lo primero es mucho más emocionante, pero creo que lo más probable es lo segundo”.

Escalas de distancia

Riess y su equipo calcularon cuán rápido crece el universo mediante la comparación de las distancias a varias galaxias diferentes con sus corrimientos al rojo — una medida de cuánto se ha estirado la longitud de onda de la luz a causa de la expansión del universo–. Calcular las distancias era una hazaña difícil que requería una técnica llamada "construcción de una escala de distancia". Primero se utilizaron métodos confiables para medir las distancias a las galaxias cercanas, después se utilizaban esas distancias para calibrar las mediciones de estrellas variables dentro de las galaxias. Estas estrellas, llamadas Cefeidas, se ponen más brillantes u oscuras periódicamente, lo que les permite servir como metros cósmicos. Por último, los investigadores utilizaron las Cefeidas — que solo son visibles desde relativamente cerca — para calibrar las mediciones de una clase especial de explosiones de supernova llamada Tipo 1a, que estallan con un brillo conocido, permitiendo a los astrónomos deducir sus distancias. Una vez tenían mediciones confiables de las supernovas cercanas, podían compararlas con supernovas del mismo tipo para conseguir una lectura muy precisa de sus distancias.

Esta es esencialmente la misma técnica Riess y sus colegas usaron en la década de 1990 para descubrir la primera evidencia de que se aceleraba la expansión del universo, un hallazgo por el que más tarde él y otros dos investigadores ganarían el Premio Nobel de Física. En 2011 el equipo hizo una medición actualizada de la constante de Hubble basado en ocho galaxias que contienen Cefeidas y supernovas Tipo 1a, pero el nuevo documento agregó 10 más. “Observamos cada una de esas 10 galaxias al menos 12 veces distintas durante un período de cerca de 100 días”, dice Samantha L. Hoffmann de la Universidad de Texas A & M, quien analizó muchos de los datos. “Fue toda una empresa”. La medición más reciente coloca la tasa de expansión del universo en 73,02  (+/- 1,79) kilómetros por segundo por megaparsec (unos 3 millones de años luz), lo que significa que por cada megaparsec que uno avance hacia afuera, el espacio está alejándose unos 73 kilómetros por segundo más rápido.

Mirando hacia atrás en el tiempo

Por el contrario, la medición de la constante de Hubble desde el universo temprano proviene de observaciones de la radiación cósmica de fondo (CMB, por sus siglas en inglés), la luz que sobró después el big bang y que ahora impregna el cielo entero. Los investigadores estudiaron patrones en la CMB y extrapolaron a tiempos modernos, basándose en las leyes cosmológicas más conocidas, para llegar a la constante de Hubble. Las mejores observaciones hasta la fecha de la CMB fueron hechas por el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, cuyos datos ponen tasa de expansión del universo a 67,3 ( +/- 0,7) kilómetros por segundo por megaparsec.

“Anteriormente existía un asomo de tensión entre las dos medidas”, dice Dan Scolnic de la Universidad de Chicago, miembro del equipo de Riess. “Ahora, nuestro equipo y el de Planck han reanalizado y esta tensión se ha convertido en algo más fuerte. Tenemos una señal de alarma de que realmente algo más  podría estar sucediendo. Esta podría ser la mayor tensión ahora en la cosmología”.

El  último resultado también concuerda con otras mediciones de la constante de Hubble basadas en mediciones de escalas de distancia similares, como un estudio de 2012 dirigido por Wendy Freedman de la Universidad de Chicago. “Creo que es interesante que ellos aumentaron el tamaño de su muestra y aun así el resultado esencialmente no cambia”, dice Freedman. “Esto es un progreso espectacular en este momento, pero para realmente hacer una medición definitiva se requieren métodos independientes. Es demasiado pronto para decir cómo esto se resolverá en última instancia”. Freedman está liderando un esfuerzo para realizar el mismo cálculo, aunque utilizando otro tipo de criterio cósmico — estrellas variables RR Lyrae, en lugar de Cefeidas–.

En la cancha de la CMB, los científicos también siguen analizando los datos y buscando explicaciones de lo que podría haber ido mal. Bennett, quien encabezó una misión de mapeo de la CMB hecha antes del experimento de Planck, llamada Sonda Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP), dice que también hay discrepancias en los datos CMB, por ejemplo entre lo que el satélite mide mirando al cielo en pequeñas escalas frente a escalas mayores. “Antes de saltar a conclusiones acerca de la cosmología quisiera entender estas cosas”, dice. En general, Bennett está encantado con el progreso.

“Durante años no sabíamos el valor de la constante de Hubble a un factor de dos, y ahora estamos hablando de conseguirlo dentro de un dos por ciento”, añade. “Las cosas que estamos comparando tienen una precisión excelente y eso se les debe a lo que han hecho muchas personas en este campo. El mensaje aquí es que esto no ha terminado. Necesitamos seguir avanzando”.