La idea de que cosas misteriosas aceleran la expansión del universo podría ser un gran error.
por Sabine Hossenfelder
En 2011, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess por descubrir que la expansión del universo se estaba acelerando. Llegaron a esta conclusión observando estrellas lejanas en explosión. Estas supernovas distantes mostraron que el cosmos se expandía más rápido porque, cuanto más lejos estaban las supernovas, más rápido parecía alejarse de nosotros.
En un artículo reciente publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters , un grupo de astrofísicos de la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda cuestionó ese hallazgo ganador del Premio Nobel.
La afirmación de que nuestro universo no solo se está expandiendo, sino que esta expansión se está acelerando, no tiene una explicación sencilla. No existe ningún tipo de energía o materia normal que pueda provocar esto; se requiere una sustancia con presión negativa, una propiedad que nunca hemos observado de otro modo. De hecho, tenemos dificultades incluso para interpretar su significado. Los físicos acaban de llamar « energía oscura » a lo que causa esta expansión acelerada.
No se trata de una afirmación grandilocuente del tipo “Einstein estaba equivocado”.
El tipo más simple de energía oscura es aquel que se mantiene constante tanto en el espacio como en el tiempo. Esta «constante cosmológica» es actualmente uno de los parámetros clave del modelo estándar de cosmología —el modelo Lambda de materia oscura fría— junto con otros parámetros como la cantidad de materia oscura, un tipo de materia invisible que supuestamente se acumula alrededor de las galaxias.
Se cree que la constante cosmológica, de existir, constituye más de dos tercios del balance materia-energía del universo. Ya podemos observar sus efectos: la expansión adicional dificulta la agrupación de las galaxias y reduce la cantidad de nuevas estrellas que se forman. La constante cosmológica también determinaría el destino final de nuestro universo , condenándolo a una aceleración cada vez mayor que lo enfriará y todo lo que contiene hasta el cero absoluto: oscuridad eterna y un frío glacial.
Pero los autores del nuevo artículo afirman audazmente que el modelo estándar con la constante cosmológica es simplemente el modelo equivocado para el universo, y que si uno usa lo que ellos afirman que es el modelo correcto, no necesitamos energía oscura en absoluto, ni siquiera en la forma de una constante cosmológica.
Esta no es una afirmación rimbombante del tipo “Einstein se equivocó”: los autores utilizan el mismo marco matemático que suelen utilizar los astrofísicos: la teoría de la relatividad general de Einstein. Esta teoría sostiene que todos los tipos de energía —incluida la materia, la radiación y la presión— curvan el espacio, y que la curvatura, a su vez, influye en el movimiento de los tipos de energía. Los autores del nuevo artículo, dirigidos por Antonia Seifert, no cuestionan esto. En cambio, cuestionan cómo utilizamos las matemáticas de Einstein.
Debido a la gran cantidad de materia en el universo, en la práctica no podemos realizar cálculos con la distribución exacta de estrellas y galaxias que observamos. ¡Simplemente hay demasiadas! Por lo tanto, simplificamos mucho. Decimos que, si promediamos distancias suficientemente grandes, las estrellas y galaxias tienen la misma distribución en todas partes. No importa en qué parte del universo te encuentres, siempre se ve prácticamente igual. Esta idea se denomina «principio cosmológico» y, si la aplicamos, pasamos de la teoría general de la relatividad a un modelo específico. Y es este modelo, el modelo Lambda de materia oscura fría, el que requiere energía oscura para acelerar la expansión del universo.
Es demasiado pronto para declarar el fin de la energía oscura.
Pero, en rigor, ya sabemos que este modelo es, por supuesto, erróneo. Las galaxias y los cúmulos de galaxias no se distribuyen uniformemente. En cambio, forman una estructura esponjosa, como si se pudiera imaginar una esponja de decenas de miles de millones de años luz de ancho , compuesta de galaxias y en expansión. Presenta zonas con muchas galaxias —como la que habitamos—, pero también grandes vacíos entre ellas.
Esto es lo que analizaron los autores del nuevo artículo: un universo compuesto por regiones llenas de materia, como la nuestra, y vacíos . Todas estas regiones interactúan, impulsándose y atrayéndose mutuamente. Ahora no solo tenemos una esponja en expansión de decenas de miles de millones de años luz de ancho, sino que también tenemos una esponja que no se expande al mismo ritmo en todas partes.
La idea en sí no es nueva; existe desde hace tanto tiempo como la propia relatividad general. El problema radica en su complejidad matemática. Esto se debe a que, en la relatividad general, las áreas de diferentes densidades y los vacíos deben coincidir adecuadamente para que el espacio se mantenga uniforme . Y no hay consenso entre los físicos sobre cómo hacerlo correctamente.
Sin embargo, hace unos 15 años, David Wiltshire, uno de los coautores del nuevo artículo, propuso un modelo que hace exactamente esto. Lo llamó el “paisaje temporal”. Esto se debe a que, en la teoría de Einstein, el tiempo corre a diferentes velocidades dependiendo de la cantidad de materia que contiene una región. En este modelo de paisaje temporal, lo que observamos en nuestra vecindad, en nuestra propia parcela, se rige por leyes diferentes de lo que sucede en promedio a distancias mayores. Es muy similar a cómo lo que observas en tu ciudad natal puede ser una descripción pobre de lo que sucede en el mundo en promedio. Así que podríamos sentir que el tiempo corre a una cadencia normal aquí en nuestro vecindario del universo, pero en algunos cúmulos de galaxias al norte el tiempo podría correr a un ritmo más lento.
Wiltshire y sus coautores afirman que la idea de que el universo experimenta una expansión acelerada en su conjunto es una interpretación errónea de lo que observamos en nuestro entorno. En el modelo cosmológico estándar, ambos elementos —lo que observamos en el entorno y lo que ocurre en todo el universo— deben ser idénticos, porque así es como funciona el modelo. En el paisaje temporal de Wiltshire, esto ya no es así. Podemos entonces conciliar las observaciones de supernovas con un universo que se expande, pero cuya expansión no se acelera, todo ello sin necesidad de energía oscura.
Para llegar a esta conclusión, el grupo de investigadores comparó el ajuste del modelo Lambda de materia oscura fría y del modelo de paisaje temporal a un catálogo de observaciones de supernovas (que ha crecido considerablemente desde los descubrimientos galardonados con el Premio Nobel). En el modelo de paisaje temporal, no se necesita la constante cosmológica, pero se introduce una nueva magnitud: la proporción de áreas del universo llenas de materia y vacíos. Los autores utilizan un análisis bayesiano, que cuantifica la probabilidad de que un modelo sea correcto, y descubren que el modelo de paisaje temporal se ajusta mejor a los datos.
Imaginemos una esponja de unas decenas de miles de millones de años luz de ancho, formada por galaxias y en expansión.
Esto concuerda con hallazgos previos que se han acumulado durante algún tiempo, que ponen en tela de juicio el principio cosmológico que subyace al modelo Lambda de materia oscura fría y, con ello, el descubrimiento de la energía oscura. Desde hace varias décadas, los astrofísicos han encontrado estructuras en el universo que son demasiado grandes para ser compatibles con el principio cosmológico, como: la “Gran Muralla”, una colección de galaxias a unos 1.000 millones de años luz de distancia de nosotros que se extiende a lo largo de 1.500 millones de años luz; el “enorme grupo de cuásares”, que abarca 4.000 millones de años luz; y el recientemente descubierto Gran Anillo, que abarca 1.000 millones de años luz. Según el modelo Lambda de materia oscura fría, estas grandes estructuras no deberían existir . Sin embargo, existen.
Si bien simpatizo con la idea del universo temporal y creo que tiene mucho potencial, también creo que es demasiado pronto para declarar el fin de la energía oscura. Análisis como el del nuevo artículo dependen en gran medida de sus suposiciones (priores) y de los datos utilizados, y no me sorprendería que otro grupo afirmara pronto que la materia oscura fría Lambda es superior después de todo. Preguntas como esta tardan en resolverse.
Pensemos, por ejemplo, en la antigua discusión sobre si la materia oscura o la gravedad modificada se ajustan mejor a las observaciones astronómicas. Dependiendo de las suposiciones que se hagan (las hipótesis previas que se elijan), los mismos datos constituyen evidencia a favor o en contra de la gravedad modificada , o requieren que la constante de Newton varíe .
Veo otro problema con el modelo del paisaje temporal. Aunque las ecuaciones que Seifert, Wiltshire y sus colegas usaron en el nuevo artículo tienen el mismo número de parámetros que el modelo Lambda de materia oscura fría (lo que significa que tienen la misma cantidad de números que deben especificarse para que el modelo sea predictivo), su modelo completo es significativamente más complejo que el estándar. Y, al menos para mí, no ha quedado claro cómo realizar los cálculos en su modelo. Mis propias deficiencias cognitivas no dicen nada sobre la validez del modelo, por supuesto, pero el hecho de que su uso requiera una curva de aprendizaje pronunciada me hace prever que su adopción en la comunidad astrológica será lenta.
Como dicen, todos los modelos son erróneos, pero algunos son útiles, y sean cuales sean sus dudas sobre la energía oscura, sin duda ha demostrado ser útil para explicar muchas observaciones, como las características del fondo cósmico de microondas y el crecimiento de las estructuras galácticas . Se necesitará mucho más que un artículo para convencer a los astrofísicos de que la energía oscura debe declararse muerta.
Sabine Hossenfelder es física teórica en el Centro de Filosofía Matemática de Múnich, Alemania, y se centra en las modificaciones de la relatividad general, la gravedad cuántica fenomenológica y los fundamentos de la mecánica cuántica. Es la directora creativa del canal de YouTube “Ciencia sin jerga”, donde habla sobre los últimos avances científicos y desmiente las exageraciones. Su último libro es “Física Existencial: Guía del Científico para las Grandes Preguntas de la Vida”.
Fuente: https://nautil.us/these-physicists-want-to-ditch-dark-energy-1177085/