El universo se está expandiendo más rápido de lo que creíamos

Es uno de los mayores enigmas de la astronomía moderna: basándose en múltiples observaciones de estrellas y galaxias, el universo parece estar separándose más rápido de lo que nuestros mejores modelos del cosmos habían predicho. Las pruebas de este enigma se han ido acumulando durante años, lo que ha llevado a algunos investigadores a calificarlo de crisis inminente en la cosmología.

Ahora, un grupo de investigadores que utiliza el Telescopio Espacial Hubble ha recopilado un nuevo y enorme conjunto de datos, y ha encontrado una probabilidad de un millón a uno de que la discrepancia sea una casualidad estadística. En otras palabras, parece aún más probable que haya algún ingrediente fundamental del cosmos -o algún efecto inesperado de los ingredientes conocidos- que los astrónomos aún no han podido determinar.

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"El universo parece darnos muchas sorpresas, y eso es bueno, porque nos ayuda a aprender", dice Adam Riess, astrónomo de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore (Estados Unidos), que ha dirigido este último estudio para probar la anomalía.

El enigma se conoce como la tensión de Hubble, en honor al astrónomo Edwin Hubble. En 1929 observó que cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido retrocede, una observación que ayudó a allanar el camino hacia nuestra noción actual de que el universo comenzó con el big bang y se expandió desde entonces.

Los investigadores han intentado medir el ritmo actual de expansión del universo de dos maneras principales: midiendo las distancias a las estrellas cercanas y trazando un tenue resplandor que se remonta al nacimiento del universo. Estos dos enfoques permiten comprobar nuestra comprensión del universo a lo largo de más de 13 000 millones de años de historia cósmica. La investigación también ha descubierto algunos ingredientes cósmicos clave, como la "energía oscura", la misteriosa fuerza que se cree que impulsa la expansión acelerada del universo.

Pero estos dos métodos discrepan en la tasa de expansión actual del universo en aproximadamente un 8 por ciento. Esa diferencia puede no parecer gran cosa, pero si esta discrepancia es real, significa que el universo se está expandiendo ahora más rápido de lo que incluso la energía oscura puede explicar, lo que implica algún fallo en nuestro cálculo del cosmos.

Las conclusiones de los investigadores, descritas en varios estudios presentados la semana pasada en The Astrophysical Journal, utilizan tipos específicos de estrellas y explosiones estelares para medir la distancia entre nosotros y las galaxias cercanas. El conjunto de datos incluye observaciones de 42 explosiones estelares diferentes, más del doble que el siguiente análisis más grande de este tipo. Según el trabajo del equipo, la tensión entre su nuevo análisis y los resultados de las mediciones del cosmos primitivo ha alcanzado cinco sigmas, el umbral estadístico utilizado en la física de partículas para confirmar la existencia de nuevas partículas.

Otros astrónomos aún ven margen para posibles errores en los datos, lo que significa que todavía es posible que la tensión del Hubble sea sólo fruto de un artefacto.

Sin embargo, "no sé cómo se esconde un error tan grande en este momento, y si lo es, esto es algo que nadie había sugerido antes", dice Dan Scolnic, miembro del equipo y astrónomo de la Universidad de Duke en Carolina del Norte (Estados Unidos). "Hemos comprobado todas las ideas que se nos han presentado, y nada da resultado".

Microondas cósmicos y la escalera de la distancia

La tensión de Hubble proviene de los intentos de medir o predecir el ritmo de expansión actual del universo, que se denomina constante de Hubble. Utilizándola, los astrónomos pueden estimar la edad del universo desde el big bang.

Una forma de obtener la constante de Hubble se basa en el fondo cósmico de microondas (CMB), un tenue resplandor que se formó cuando el universo tenía apenas 380 000 años. Telescopios como el observatorio Planck de la Agencia Espacial Europea han medido el CMB, proporcionando una instantánea detallada de cómo se distribuían la materia y la energía en el universo primitivo, así como la física que las gobernaba.

Utilizando un modelo capaz de predecir muchas de las propiedades del universo con un éxito espectacular -conocido como el modelo de materia oscura fría Lambda- los cosmólogos pueden adelantar matemáticamente el universo naciente tal y como se ve en el CMB y predecir cuál debería ser la constante de Hubble actual. Este método predice que el universo debería estar expandiéndose a un ritmo de unos 67,36 kilómetros por segundo por megaparsec (un megaparsec equivale a 3,26 millones de años luz).

En cambio, otros equipos miden la constante de Hubble observando el universo "local": las estrellas y galaxias más modernas que están relativamente cerca de nosotros. Esta versión del cálculo requiere dos tipos de datos: la rapidez con la que una galaxia se aleja de nosotros y la distancia a la que se encuentra. Esto, a su vez, requiere que los astrónomos desarrollen lo que se conoce como una escalera de distancia cósmica.

La escalera de distancias cósmicas de los nuevos estudios, montada por el grupo de investigación SH0ES de Riess, comienza con las mediciones de las distancias entre nosotros y ciertos tipos de estrellas llamadas variables cefeidas. Las cefeidas son valiosas porque, en esencia, actúan como luces estroboscópicas de potencia conocida: se iluminan y atenúan regularmente, y cuanto más brillantes son las cefeidas, más lentamente se iluminan. Utilizando este principio, los astrónomos pueden estimar los brillos intrínsecos de las cefeidas aún más lejanas basándose en sus ritmos de pulsación y, en última instancia, calcular las distancias de las estrellas a nosotros.

Para ampliar la escalera aún más, los astrónomos han añadido peldaños basados en las explosiones estelares llamadas supernovas de tipo 1a. Al estudiar las galaxias que albergan tanto cefeidas como supernovas de tipo 1a, los astrónomos pueden calcular la relación entre el brillo de las supernovas y sus distancias. Y como las supernovas de tipo 1a son mucho más brillantes que las cefeidas, pueden verse a distancias mucho mayores, lo que permite a los astrónomos ampliar sus mediciones a galaxias más profundas del cosmos.

Contabilizando la variación

El problema es que medir con precisión todas estas estrellas y supernovas es tremendamente complicado. Desde el punto de vista técnico, no todas las cefeidas ni las supernovas de tipo 1a tienen exactamente el mismo aspecto: algunas pueden tener composiciones diferentes, colores distintos o diferentes tipos de galaxias anfitrionas. Los astrónomos han dedicado muchos años a averiguar cómo explicar toda esta variabilidad, pero es muy difícil saber con certeza si alguna fuente de error oculta no está presionando la balanza.

Para responder a estas preocupaciones, un equipo de investigación llamado la Colaboración Pantheon+ analizó exhaustivamente 1.701 observaciones de supernovas de tipo 1a recogidas desde 1981. El análisis incluyó esfuerzos para cuantificar todas las incertidumbres y fuentes de sesgo conocidas.

"Nos preocupamos por, por ejemplo, cómo era el clima y la visión de un telescopio en noviembre de 1991; eso es difícil", dice Scolnic, de la Universidad de Duke, que codirige Pantheon+ con el investigador del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica Dillon Brout.

Los hallazgos del equipo se han incorporado al nuevo análisis de Riess y sus colegas del SH0ES. Tras realizar una comprobación igualmente exhaustiva de los factores que podrían afectar a las observaciones de las cefeidas, el equipo generó su estimación más precisa hasta la fecha para la constante de Hubble: 73,04 kilómetros por segundo por megaparsec, más o menos 1,04. Esta cifra es un 8 por ciento más alta que el valor inferido a partir de las mediciones del CMB del observatorio Planck.

El equipo también se esforzó en probar las ideas de científicos externos sobre por qué su estimación de la constante de Hubble es mayor que la de Planck. En total, los investigadores realizaron 67 variantes de su análisis, muchas de las cuales empeoraban la tensión.

"Creo que hemos escuchado con atención muchas preocupaciones y problemas", dice Riess. "Esto no es sólo un 'shazam'... Hemos hecho muchas inmersiones en agujeros de conejo".

El universo desconocido

En los últimos años, sin embargo, Wendy Freedman, de la Universidad de Chicago, ha estado trabajando en una estimación que no se basa en las estrellas titilantes. En su lugar, utiliza un grupo específico de estrellas gigantes rojas, que también actúan como bombillas de potencia conocida. A partir de estas "velas estándar" alternativas, u objetos con brillos intrínsecos conocidos, la estimación independiente de Freedman de la constante de Hubble es de 69,8 kilómetros por segundo por megaparsec, en medio de las otras dos mediciones.

A pesar del cuidadoso trabajo del equipo, Freedman dice que los errores no descubiertos podrían seguir afectando al análisis, creando quizás una tensión ilusoria. Añade que algunas fuentes de incertidumbre son también inevitables. Por un lado, sólo hay tres galaxias lo suficientemente cercanas a la Vía Láctea cuyas distancias podemos medir directamente, y la base de la escalera de distancias cósmicas descansa en este trío.

"Tres es un número pequeño, pero es lo que la naturaleza nos ha dado", dice Freedman.

Los equipos de Pantheon+ y SH0ES han estudiado detenidamente los resultados de Freedman y otros, y algunos de sus diversos análisis examinan lo que ocurre si las estrellas preferidas de Freedman se añaden a la escalera de distancias cósmicas, junto con las cefeidas y las supernovas de tipo 1a. Según su trabajo, la inclusión de estas estrellas adicionales reduce ligeramente la estimación de la constante de Hubble, pero no elimina la tensión.

Y si la tensión de Hubble refleja realmente nuestra realidad física, para explicarla habrá que añadir probablemente otro elemento a nuestra lista de ingredientes fundamentales del universo.

Uno de los principales contendientes teóricos, llamado energía oscura temprana, propone que unos 50 000 años después del big bang se produjo un breve brote de energía oscura. En principio, un breve brote de energía oscura adicional podría alterar la expansión del universo primitivo lo suficiente como para resolver la tensión de Hubble sin alterar demasiado el modelo estándar de la cosmología.

Pero en el proceso, las estimaciones de los cosmólogos sobre la edad del universo caerían de los 13 800 millones de años actuales a unos 13 000 millones de años.

"Hay muchas preguntas sobre por qué hay que introducir este elemento nuevo que simplemente aparece y desaparece; sienta un poco raro hacer esto", dice Mike Boylan-Kolchin, astrofísico de la Universidad de Texas en Austin. "Pero estamos en un lugar en el que, si estas cosas son realmente tan discrepantes, tal vez tengamos que empezar a buscar en los rincones divertidos del universo".

Por el momento, no hay pruebas concluyentes de la existencia de la energía oscura primitiva, aunque han aparecido algunos indicios. En septiembre, el Telescopio Cosmológico de Atacama, una instalación en Chile que mide el fondo cósmico de microondas, afirmó que un modelo que incluye la energía oscura temprana se ajusta a sus datos mejor que el modelo cosmológico estándar. Los datos del telescopio Planck no concuerdan, por lo que serán necesarias futuras observaciones para llegar al fondo del misterio.

Otros observatorios también deberían ayudar a aclarar la tensión del Hubble. El satélite Gaia de la ESA, por ejemplo, lleva cartografiando la Vía Láctea desde 2014, generando estimaciones de distancia cada vez más precisas entre nosotros y muchas de las estrellas de nuestra galaxia, incluidas las cefeidas. Y el próximo telescopio espacial James Webb -que se lanzará a finales de este mes- debería ayudar a los astrónomos a volver a comprobar las mediciones del Hubble de ciertas estrellas.

"Estamos trabajando en el límite de lo posible", afirma Freedman. "Llegaremos al fondo de esto".