Nota del editor: Esta historia se publicó originalmente en el número de febrero de 2004 de Scientific American. Volvemos a publicar esta historia porque su autor, Adam Riess, fue seleccionado como becario MacArthur en 2008 por la Fundación MacArthur.
Desde la época de Isaac Newton hasta finales de la década de 1990, la característica que define a la gravedad es su naturaleza atractiva. La gravedad nos mantiene en tierra. Ralentiza el ascenso de las pelotas de béisbol y mantiene la luna en órbita alrededor de la tierra. La gravedad impide que nuestro sistema solar se separe y une enormes cúmulos de galaxias. Aunque la teoría general de la relatividad de Einstein permite que la gravedad empuje y tire, la mayoría de los físicos la consideraban una posibilidad puramente teórica, irrelevante para el universo actual. Hasta hace poco, los astrónomos esperaban que la gravedad frenara la expansión del cosmos.
En 1998, sin embargo, los investigadores descubrieron el lado repulsivo de la gravedad. Al observar cuidadosamente supernovas distantes -explosiones estelares que durante un breve periodo de tiempo brillan tanto como 10.000 millones de soles- los astrónomos descubrieron que eran más débiles de lo esperado. La explicación más plausible de la discrepancia es que la luz de las supernovas, que explotaron hace miles de millones de años, viajó una distancia mayor de la que los teóricos habían previsto. Y esta explicación, a su vez, llevó a la conclusión de que la expansión del universo en realidad se está acelerando, no ralentizando. Este hallazgo fue tan radical que algunos cosmólogos sugirieron que la disminución del brillo de las supernovas era el resultado de otros efectos, como el polvo intergaláctico que atenuaba la luz. En los últimos años, sin embargo, los astrónomos han consolidado la tesis de la aceleración cósmica mediante el estudio de supernovas cada vez más remotas.
Pero, ¿se ha acelerado la expansión cósmica a lo largo de la vida del universo, o es un hecho relativamente reciente, es decir, que se ha producido en los últimos cinco mil millones de años aproximadamente? La respuesta tiene profundas implicaciones. Si los científicos descubren que la expansión del universo siempre se ha acelerado, tendrán que revisar por completo su comprensión de la evolución cósmica. Pero si, como esperan los cosmólogos, la aceleración resulta ser un fenómeno reciente, los investigadores podrían determinar su causa -y tal vez responder a la cuestión más amplia del destino del universo- al saber cuándo y cómo empezó a acelerarse la expansión.
Batalla de titanes
HACE CASI 75 AÑOS el astrónomo Edwin Hubble descubrió la expansión del universo al observar que otras galaxias se alejaban de la nuestra. Observó que las galaxias más lejanas retrocedían más rápido que las cercanas, de acuerdo con lo que hoy se conoce como la ley de Hubble (la velocidad relativa es igual a la distancia multiplicada por la constante de Hubble). Vista en el contexto de la teoría general de la relatividad de Einstein, la ley de Hubble surge debido a la expansión uniforme del espacio, que no es más que un aumento de escala del tamaño del universo.
En la teoría de Einstein, la noción de gravedad como fuerza de atracción sigue siendo válida para todas las formas conocidas de materia y energía, incluso a escala cósmica. Por lo tanto, la relatividad general predice que la expansión del universo debería ralentizarse a un ritmo determinado por la densidad de la materia y la energía en su interior. Pero la relatividad general también permite la posibilidad de que existan formas de energía con propiedades extrañas que produzcan una gravedad repulsiva. El descubrimiento de una expansión que se acelera en lugar de desacelerarse ha revelado aparentemente la presencia de una forma de energía de este tipo, denominada energía oscura.
Si la expansión se ralentiza o se acelera depende de una batalla entre dos titanes: la atractiva atracción gravitatoria de la materia y el repulsivo empuje gravitatorio de la energía oscura. Lo que cuenta en esta contienda es la densidad de cada uno. La densidad de la materia disminuye a medida que el universo se expande porque el volumen del espacio aumenta. (Sólo una pequeña fracción de la materia se encuentra en forma de estrellas luminosas; se cree que el grueso es materia oscura, que no interactúa de forma perceptible con la materia ordinaria o la luz, pero tiene una gravedad atractiva). Aunque se sabe poco sobre la energía oscura, se espera que su densidad cambie lentamente o no cambie en absoluto a medida que el universo se expande. Actualmente, la densidad de la energía oscura es mayor que la de la materia, pero en un pasado lejano la densidad de la materia debería haber sido mayor, por lo que la expansión debería haberse ralentizado entonces.
Los cosmólogos tienen otras razones para esperar que la expansión del universo no se haya acelerado siempre. Si lo hubiera hecho, los científicos no podrían explicar la existencia de las estructuras cósmicas que se observan en el universo actual. Según la teoría cosmológica, las galaxias, los cúmulos de galaxias y las estructuras de mayor tamaño evolucionaron a partir de pequeñas inhomogeneidades en la densidad de la materia del universo primitivo, que se revelan en las variaciones de la temperatura del fondo cósmico de microondas (CMB). La mayor atracción gravitatoria de las regiones sobredensas de materia detuvo su expansión, lo que les permitió formar objetos ligados gravitatoriamente, desde galaxias como la nuestra hasta grandes cúmulos de galaxias. Pero si la expansión del Universo hubiera sido siempre acelerada, habría desprendido las estructuras antes de que pudieran ensamblarse. Además, si la expansión hubiera sido acelerada, dos aspectos clave del universo primitivo -el patrón de las variaciones del CMB y las abundancias de los elementos luminosos producidos segundos después del big bang- no coincidirían con las observaciones actuales.
No obstante, es importante buscar pruebas directas de una fase de expansión más temprana y más lenta. Estas pruebas ayudarían a confirmar el modelo cosmológico estándar y darían a los científicos una pista sobre la causa subyacente del actual período de aceleración cósmica. Dado que los telescopios miran hacia atrás en el tiempo cuando recogen la luz de estrellas y galaxias lejanas, los astrónomos pueden explorar la historia de la expansión del universo centrándose en objetos distantes. Esa historia está codificada en la relación entre las distancias y las velocidades de recesión de las galaxias. Si la expansión se está ralentizando, la velocidad de una galaxia lejana sería relativamente mayor que la velocidad predicha por la ley de Hubble. Si la expansión se está acelerando, la velocidad de la galaxia lejana sería inferior al valor predicho. O, dicho de otro modo, una galaxia con una determinada velocidad de recesión estará más lejos de lo esperado -y, por tanto, será más débil- si el universo se está acelerando.
La caza de supernovas
Para aprovechar este sencillo hecho es necesario encontrar objetos astronómicos que tengan una luminosidad intrínseca conocida -la cantidad de radiación por segundo producida por el objeto- y que puedan verse en todo el universo. Una clase particular de supernovas conocidas como de tipo Ia son muy adecuadas para esta tarea. Estas explosiones estelares son tan brillantes que los telescopios terrestres pueden verlas en la mitad del universo visible, y el telescopio espacial Hubble puede verlas desde aún más lejos. Durante la última década, los investigadores han calibrado cuidadosamente la luminosidad intrínseca de las supernovas de tipo Ia, de modo que la distancia a una de estas explosiones puede determinarse a partir de su brillo aparente.
Los astrónomos pueden deducir la velocidad de recesión de una supernova midiendo el desplazamiento al rojo de la luz de la galaxia en la que se encuentra. La radiación de los objetos que se alejan se desplaza a longitudes de onda más largas; por ejemplo, la luz emitida cuando el universo tenía la mitad de su tamaño actual duplicará su longitud de onda y se volverá más roja. Al medir el desplazamiento al rojo y el brillo aparente de un gran número de supernovas situadas a distintas distancias, los investigadores pueden crear un registro de la expansión del universo.
Desgraciadamente, las supernovas de tipo Ia son raras, ya que se producen en una galaxia como la Vía Láctea sólo una vez cada pocos siglos de media. La técnica utilizada por los cazadores de supernovas consiste en observar repetidamente una zona del cielo que contiene miles de galaxias y luego comparar las imágenes. Un punto de luz transitorio que aparece en una imagen pero no en otra anterior podría ser una supernova. Los resultados de 1998 que mostraban pruebas de la aceleración cósmica se basaban en las observaciones de dos equipos que observaron supernovas que explotaron cuando el universo tenía unos dos tercios de su tamaño actual, hace unos cinco mil millones de años.
Algunos científicos se preguntaron, sin embargo, si los equipos habían interpretado correctamente los datos de las supernovas. Era posible que otro efecto, además de la aceleración cósmica, hubiera provocado que las supernovas aparecieran más débiles de lo esperado? El polvo que llena el espacio intergaláctico también podría hacer que las supernovas aparecieran más tenues. O tal vez las antiguas supernovas simplemente nacieron más tenues porque la composición química del universo era diferente a la actual, con una menor abundancia de los elementos pesados producidos por las reacciones nucleares en las estrellas.
Por suerte, se dispone de una buena prueba de las hipótesis en liza. Si las supernovas parecen más débiles de lo esperado debido a una causa astrofísica, como una pantalla de polvo omnipresente, o porque las supernovas del pasado nacieron más débiles, los supuestos efectos de oscurecimiento deberían aumentar con el desplazamiento al rojo de los objetos. Pero si el oscurecimiento es el resultado de una aceleración cósmica reciente que siguió a una era anterior de desaceleración, las supernovas del período de desaceleración aparecerían relativamente más brillantes. Por lo tanto, las observaciones de las supernovas que explotaron cuando el universo tenía menos de dos tercios de su tamaño actual podrían proporcionar la evidencia para mostrar cuál de las hipótesis es correcta. (Es posible, por supuesto, que un fenómeno astrofísico desconocido pueda coincidir de forma precisa con los efectos tanto de la aceleración como de la ralentización, pero los científicos generalmente desfavorecen tales explicaciones sintonizadas artificialmente.)
Sin embargo, encontrar supernovas tan antiguas y lejanas es difícil. Una supernova de tipo Ia que explotó cuando el universo tenía la mitad de su tamaño actual es aproximadamente una diez mil millonésima parte de lo que brilla Sirio, la estrella más brillante del cielo. Los telescopios terrestres no pueden detectar estos objetos de forma fiable, pero el telescopio espacial Hubble sí. En 2001, uno de nosotros (Riess) anunció que el telescopio espacial había captado por casualidad una supernova de tipo Ia extremadamente lejana (denominada SN 1997ff) en repetidas observaciones. Dado el desplazamiento al rojo de la luz de esta explosión estelar -que se produjo hace unos 10.000 millones de años, cuando el universo tenía un tercio de su tamaño actual-, el objeto parecía mucho más brillante de lo que habría sido si la hipótesis del universo polvoriento fuera cierta. Este resultado fue la primera prueba directa de la época de desaceleración. Los dos propusimos que las observaciones de más supernovas de alto desplazamiento al rojo podrían proporcionar una prueba definitiva y precisar la transición de la desaceleración a la aceleración.
La Advanced Camera for Surveys, un nuevo instrumento de obtención de imágenes instalado en el telescopio espacial en 2002, permitió a los científicos convertir el Hubble en una máquina cazadora de supernovas. Riess dirigió un esfuerzo para descubrir la muestra necesaria de supernovas de tipo Ia muy distantes, apoyándose en el Great Observatories Origins Deep Survey. El equipo encontró seis supernovas que explotaron cuando el universo tenía menos de la mitad de su tamaño actual (hace más de siete mil millones de años); junto con SN 1997ff, son las supernovas de tipo Ia más lejanas jamás descubiertas. Las observaciones confirmaron la existencia de un periodo de ralentización temprana y situaron el «punto de transición» entre la ralentización y la aceleración hace unos cinco mil millones de años. Este hallazgo es coherente con las expectativas teóricas y, por tanto, tranquiliza a los cosmólogos. La aceleración cósmica fue una sorpresa y un nuevo rompecabezas a resolver, pero no es tan sorprendente como para hacernos replantear gran parte de lo que creíamos entender sobre el universo.
Nuestro destino cósmico
EL SUPERNOVAJE ANTIGUO también proporcionó nuevas pistas sobre la energía oscura, la causa subyacente de la aceleración cósmica. El principal candidato para explicar los efectos de la energía oscura es la energía del vacío, que es matemáticamente equivalente a la constante cosmológica que Einstein inventó en 1917. Como Einstein pensó que tenía que modelar un universo estático, introdujo su «factor cosmológico» para equilibrar la gravedad atractiva de la materia. En esta receta, la densidad de la constante era la mitad de la de la materia. Pero para producir la aceleración observada del universo, la densidad de la constante tendría que ser el doble de la de la materia. ¿De dónde podría venir esta densidad de energía? El principio de incertidumbre de la mecánica cuántica exige que el vacío esté lleno de partículas que viven con tiempo y energía prestados, entrando y saliendo de la existencia. Pero cuando los teóricos intentan calcular la densidad de energía asociada al vacío cuántico, obtienen valores que son al menos 55 órdenes de magnitud demasiado grandes. Si la densidad de energía del vacío fuera realmente tan alta, toda la materia del universo saldría volando instantáneamente y las galaxias nunca se habrían formado.
Esta discrepancia ha sido calificada como la peor vergüenza de toda la física teórica, pero en realidad puede ser el signo de una gran oportunidad. Aunque es posible que los nuevos intentos de estimar la densidad de energía del vacío arrojen la cantidad justa para explicar la aceleración cósmica, muchos teóricos creen que un cálculo correcto, que incorpore un nuevo principio de simetría, llevará a la conclusión de que la energía asociada al vacío cuántico es cero. (¡Incluso la nada cuántica no pesa nada!) Si esto es cierto, algo más debe estar causando que la expansión del universo se acelere.
Los teóricos han propuesto una variedad de ideas, que van desde la influencia de dimensiones extra y ocultas hasta la energía asociada a un nuevo campo de la naturaleza, a veces llamado quintaesencia. En general, estas hipótesis plantean una densidad de energía oscura que no es constante y que suele disminuir a medida que el universo se expande. (Pero también se ha sugerido que la densidad de energía oscura aumenta en realidad a medida que el universo se expande). Tal vez la idea más radical es que no hay energía oscura en absoluto, sino que hay que modificar la teoría de la gravedad de Einstein.
Debido a que la forma en que varía la densidad de energía oscura depende del modelo teórico, cada teoría predice un momento diferente para el punto de transición en el que la expansión del universo pasó de la desaceleración a la aceleración. Si la densidad de energía oscura disminuye a medida que el universo se expande, el punto de transición se produce antes en el tiempo que en un modelo que asuma una densidad de energía oscura constante. Incluso los modelos teóricos en los que se modifica la gravedad dan lugar a una firma discernible en el tiempo de cambio. Los últimos resultados de las supernovas son coherentes con las teorías que suponen una densidad de energía oscura constante, pero también coinciden con la mayoría de los modelos que suponen una densidad de energía oscura variable. Sólo se han descartado las teorías que estipulan grandes variaciones en la densidad de la energía oscura.
Para reducir el abanico de posibilidades teóricas, el telescopio espacial Hubble sigue recopilando datos de supernovas que podrían precisar los detalles de la fase de transición. Aunque el telescopio espacial sigue siendo el único medio para sondear la historia temprana de la expansión cósmica, más de media docena de programas terrestres están tratando de mejorar la precisión de la medición de la aceleración cósmica reciente lo suficiente como para revelar la física de la energía oscura. El proyecto más ambicioso es la Misión Conjunta de Energía Oscura (JDEM), propuesta por el Departamento de Energía de Estados Unidos y la NASA. La JDEM es un telescopio espacial de dos metros y amplio campo dedicado a descubrir y medir con precisión miles de supernovas de tipo Ia. Los cazadores de supernovas esperan que el JDEM se ponga en marcha a principios de la próxima década; hasta entonces, tendrán que confiar en el telescopio Hubble para detectar las explosiones estelares más lejanas.
Resolver el misterio de la aceleración cósmica revelará el destino de nuestro universo. Si la densidad de la energía oscura es constante o aumenta con el tiempo, dentro de unos 100.000 millones de años todas las galaxias, salvo unos pocos cientos, estarán demasiado desplazadas al rojo para poder ser vistas. Pero si la densidad de energía oscura disminuye y la materia vuelve a ser dominante, nuestro horizonte cósmico crecerá, revelando más del universo. Son posibles futuros aún más extremos (y letales). Si la densidad de la energía oscura aumenta en lugar de disminuir, el universo acabará sufriendo un «hiperaceleramiento» que destrozaría galaxias, sistemas solares, planetas y núcleos atómicos, en ese orden. O incluso el universo podría volver a colapsar si la densidad de energía oscura cae a un valor negativo. La única manera de predecir nuestro futuro cósmico es averiguar la naturaleza de la energía oscura.