Nobel de Física para descubridores de la aceleración en la expansión del universo

El Premio Nobel de Física ha sido concedido a los estadounidenses Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess por el descubrimiento de la aceleración en la expansión del universo a través de la observación de supernovas distantes.

¿Cómo terminará el mundo?. Algunos creen que en fuego, otros creen en hielo, pero si todo va de acuerdo a lo que plantean los galardonados con el Nobel de Física de este año, todo terminará en hielo porque el universo se expande a una tasa sumamente acelerada.

El universo se empezó a expandir hace unos 14,000 millones de años, tras el Big Bang, a partir de entonces, su velocidad de expansión se fue reduciendo paulatinamente. Sin embargo, unos miles de millones de años después, repentinamente todo cambió y el universo empezó a acelerar su velocidad de expansión.

Este incremento en la tasa de expansión implica que el universo está siendo empujado de alguna manera, pero ¿cómo?, si todo lo que vemos allá afuera son estrellas y galaxias, quienes por su gran masa y su fuerza gravitacional deberían impedir que dicha tasa de expansión aumente, es más, la gravedad debería atraerlas unas a otras. Es aquí donde nace el concepto de energía oscura, la cual se cree que conforma el 70% de toda la energía del universo y hasta ahora la física no ha podido entenderla ni explicarla.

La expansión del universo ya se conocía desde los años 1920’s, cuando Vesto Slipher,  Carl Wirtz, Knut Lundmark,  Georges Lemaître y Edwin Hubble lo descubrieron en el Telescopio del Monte Wilson —el más potente de la época. Sin embargo, en el año 1998 se publicaron dos artículos independientes con resultados similares los cuales remecieron los cimientos de la cosmología. Saul Perlmutter, líder del Supernova Cosmology Project instaurado en el año 1988 y Brian Schmidt líder del High-z Supernova Search Team, proyecto competidor instaurado en 1994 donde también investiga Adam Riess, se pusieron a hacer un mapa del universo usando como puntos de referencia las supernovas —explosión de estrellas— más distantes.

Usando potentes telescopios, los investigadores establecieron la distancia de las supernovas y la velocidad a la que se alejan de nosotros, y con estos datos, pretendieron predecir el destino del universo. Ellos esperaban encontrar que la tasa de expansión del universo se hacía cada vez más lenta, tal como lo habían propuesto otros astrofísicos del pasado. Su sorpresa fue grande cuando encontraron el efecto opuesto —el universo se expandía cada vez más rápido.

Cuando Einstein propuso la Teoría General de la Relatividad en 1915, plantó los cimientos de un universo dinámico —o bien se expandía o bien se contraía. Esta inquietante conclusión llegó una década antes del descubrimiento de la expansión del universo por Hubble y sus colegas. A Einstein le perturbaba saber que el universo no era estático, así que para poner un freno a dicha expansión añadió una constante a sus ecuaciones, algo que más tarde se arrepintió y lo consideró como uno de los mayores errores de su vida. Quién iba a pensar que con las observaciones publicadas en 1998 por los galardonados del presente Nobel de Física, la constante cosmológica puesta por razones equivocadas por Einstein sería, en realidad, una genialidad.

Existen tres formas de ver el universo: abierto, cerrado y plano. En un universo abierto, la fuerza gravitacional de las estrellas y galaxias no es lo suficientemente fuerte como para impedir que el universo se expanda, se diluya, volviéndose cada vez más frío y vacío. En un universo cerrado, la fuerza gravitacional es lo suficientemente fuerte como para revertir su expansión, todo se vuelve a acercar y condensar hasta formar algo opuesto al Big Bang, o sea, un “Big Crunch”. Un universo plano es la forma más sencilla de ver el Universo, donde la expansión se reduce poco a poco. Pero, con la presencia de una constante cosmológica, así se considere un universo plano, la tasa de expansión seguirá en aumento.

Los galardonados con el Nobel de este año, en realidad, quisieron medir la tasa a la que la velocidad de expansión del universo se reducía, pero a diferencia de los estudios realizados en los años 1920’s, los cuales usaban un tipo de estrellas conocidas como cefeidas para establecer las distancias y velocidades de movimiento, los laureados usaron las supernovas porque estas grandes explosiones estelares podían ser captadas a mayores distancias que las estrellas, profundizando el campo de visión a lugares más recónditos del universo. Las supernovas, en pocas semanas, pueden emitir más luz que toda una galaxia entera. 

La técnica empleada por los equipos de investigación era “relativamente sencilla”. El truco era comparar dos fotos de la misma porción del cielo y analizar cada uno de los puntos brillantes que hay en ellas con el fin de encontrar diferencias mínimas entre ellas —tan sólo un píxel de diferencia era más que suficiente— para así identificar galaxias o supernovas que se movían una con respecto a la otra [Figura inferior]. Los investigadores sólo consideraron en los datos a las supernovas distantes y en base a las imágenes les calcularon la velocidad a la cual se alejaban unas de otras.

A pesar de lo sencilla e inteligentes de la técnica, el proceso fue un dolor de cabeza para los investigadores. El principal problema fue extraer la luz de fondo de las galaxias que las albergaban, las cuales interferían con la luminosidad propia de la supernova. Además, debían hacer las correcciones de luminosidad porque el polvo cósmico que hay entre la supernova y nuestro planeta las opacaba.

Finalmente, los resultados tomados de 50 supernovas distantes mostraron que luz de las supernovas eran más tenues de los esperado, lo que indicaría que el universo no sólo se estaba expandiendo, sino lo hacía cada vez más rápido. Entonces, debía haber una energía oscura responsable de este proceso. Fue así que se reconsideró la constante cósmica propuesta y rechazada por el mismo Einstein. Cuando Einstein la propuso, consideraba a esta constante como una fuerza anti-gravitacional que evitaba que el universo se expanda manteniéndolo estático. Sin embargo, si el valor de esta constante es mayor a lo considerado previamente, todo cambia!, y en vez de mantener todo en equilibrio, hace que la velocidad de expansión del universo se acelere.

Pero ¿por qué en los primeros miles de millones de años de vida del universo, éste parecía reducir su velocidad de expansión, y de pronto, empezó a acelerarla?. Los investigadores creen que hace unos 6,000 millones de años, la fuerza gravitacional generada por la materia ya no era lo suficientemente fuerte como para reducir la velocidad de expansión del universo porque las distancias entre estrellas y galaxias ya sería muy grande. Es así que en este punto, la misteriosa energía oscura fue superior a la fuerza gravitacional, y el universo empezó a acelerar su velocidad de expansión.

Por ahora no se sabe mucho acerca de la energía oscura, solo se estima que conforma las 3/4 partes del universo. Por su parte, la materia de la cual estamos hechos nosotros, los planetas, las estrellas, nebulosas y galaxias, sólo comprende el 5% del universo, el otro 20% es la materia oscura, la cual también desconocemos y sólo sabemos de ella a través del efecto que causan sobre la materia. En otras palabras, desconocemos el 95% de todo el universo que nos rodea y gracias a los galardonados con el Nobel en Física de este año, sabemos algo más de ese misterioso 95%.