Seguimos sin saber a qué velocidad se expande el universo realmente

Nuevos datos del telescopio espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés) de la NASA han ahondado en el misterio sobre la velocidad a la que se expande el universo. El descubrimiento apunta a que podría ser necesaria una física desconocida para ayudar a explicar este enigma cósmico.

Desde que el universo nació hace unos 13 800 millones de años, no ha dejado de expandirse en todas direcciones. Analizando el ritmo actual de expansión cósmica, conocido como constante de Hubble, los investigadores pueden estimar la edad del universo y posibles detalles de su destino, como si se expandirá para siempre, colapsará sobre sí mismo o incluso si podría desintegrarse.

Los investigadores utilizan dos estrategias principales para medir la constante de Hubble. Una consiste en observar los objetos cercanos cuyas propiedades los científicos conocen bien, como las supernovas y las estrellas pulsantes llamadas variables cefeidas, para estimar sus distancias y la rapidez con la que se alejan de nosotros. El otro método examina el fondo cósmico de microondas, la radiación sobrante del Big Bang, para estudiar las condiciones iniciales del universo y estimar a qué velocidad se ha expandido desde entonces.

Inesperadamente, en la última década, este par de métodos ha producido dos resultados contradictorios. Las observaciones del fondo cósmico de microondas del observatorio espacial europeo Planck sugieren que el universo se expande a un ritmo de unos 67,4 kilómetros por segundo por megaparsec (una distancia equivalente a 3,26 millones de años-luz). En cambio, los datos procedentes de supernovas y estrellas cefeidas cercanas sugieren un ritmo más rápido, de unos 73 kilómetros por segundo por megaparsec.

Resolver esta disputa, conocida como la tensión de Hubble, podría arrojar luz sobre la evolución y el destino del cosmos. Una posibilidad, simplemente, es que uno o más de los métodos para estimar este número crítico sea erróneo.

"Existía la esperanza de que esta discrepancia simplemente desapareciera, que tal vez fuera solo un error de medición", dice Adam Riess, astrofísico del Space Telescope Science Institute de Baltimore (Estados Unidos), que ganó el Premio Nobel de Física en 2011 por ayudar a descubrir que la expansión del universo se estaba acelerando.

En el nuevo estudio, Riess y sus colegas se basaron en la nítida resolución del James Webb. Analizaron más de 320 cefeidas en dos galaxias: NGC 4258, a unos 23 millones de años luz, y NGC 5584, a unos 100 millones de años luz.

Los investigadores descubrieron que el James Webb triplicaba la precisión del telescopio espacial Hubble. "Yo me habría conformado con un 20 por ciento, así que un factor de tres es realmente extraordinario", afirma Riess.

No obstante, las nuevas observaciones coinciden en gran medida con las estimaciones de distancia anteriores del Hubble. "Los resultados anteriores pasan la prueba del JWST", afirma John Blakeslee, astrónomo del Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de Tucson (Arizona), que no participó en este estudio.

"En algún momento, hay que decir que no se trata de un error de medición, y si es así, está diciendo algo muy interesante sobre el universo", afirma Riess. "Es realmente un enigma cada vez más profundo, pero uno bueno".

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Funcionamientos desconocidos del cosmos

Estos nuevos hallazgos sugieren que la tensión de Hubble puede deberse a algo más fundamental que la imprecisión. Si ambos valores son correctos, entonces a los astrónomos les falta algún dato sobre cómo ha crecido el universo.

Los datos de supernovas y estrellas cefeidas cercanas indican que la expansión se está acelerando más de lo esperado en función de las condiciones de cuando el universo era joven, que se reflejan en el fondo cósmico de microondas. Esta mayor aceleración es incluso mayor de lo que los investigadores pueden explicar actualmente con la energía oscura, la misteriosa fuerza que los teóricos creen que impulsa la expansión acelerada del universo.

"Tenemos una clara divergencia entre las observaciones y el modelo dominante de universo", afirma Pierre Kervella, astrónomo del Observatorio de París (Francia), que no participó en este estudio. "Ahora es más probable que el problema esté en el modelo de universo y no en las observaciones, que son bastante sólidas".

Una posible explicación es que "podría haber un problema con la teoría de la gravitación que estamos utilizando: la relatividad general", afirma Kervella. El valor de la constante de Hubble derivado del fondo cósmico de microondas depende de un modelo basado en la relatividad general, explica Kervella.

Otra posibilidad es que en el universo primitivo pudiera haber existido una forma de energía oscura hasta ahora insospechada, señala Riess. O la energía oscura podría haber cambiado de naturaleza con el tiempo, desde que el universo era muy joven y compacto hasta que se hizo más viejo y grande.

"Hay un montón de ideas, y todas tienen pros y contras", afirma Riess. "De momento, ninguna encaja como el pie de Cenicienta en el zapato".

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Pistas adicionales

Recientemente, los científicos han desarrollado otra técnica para medir la constante de Hubble que podría ayudar a arrojar luz sobre este misterio. Se basa en las ondas gravitacionales, ondulaciones en el tejido del espacio y el tiempo que se producen cuando la masa se acelera.

En 2017, los científicos detectaron ondas gravitacionales procedentes de estrellas de neutrones en colisión. En teoría, estas ondulaciones pueden utilizarse para determinar la distancia de los choques a la Tierra, mientras que la luz de los impactos puede revelar la velocidad a la que se mueven con respecto a la Tierra. Los investigadores pueden utilizar ambos conjuntos de datos para calcular la constante de Hubble.

Los resultados preliminares obtenidos con este método sugieren un valor de la constante de Hubble de casi 70 kilómetros por segundo por megaparsec, justo entre los otros dos métodos. El análisis de los choques entre unos 50 pares de estrellas de neutrones en los próximos cinco a 10 años podría arrojar datos suficientes para obtener resultados más concluyentes.

Mientras tanto, JWST medirá las distancias de las estrellas Cefeidas de otra docena de galaxias, señala Blakeslee. Eso constituirá una prueba aún más contundente de la medición en el universo cercano.

Pero hasta que alguien pueda encontrar la pieza que falta en este rompecabezas cosmológico, la tensión de Hubble parece que está aquí para quedarse.