El enigma de la expansión del Universo que atormentó a Einstein, ¿a punto de resolverse?
Científicos han sugerido que bastará con captar 50 fusiones de estrellas de neutrones para poder estimar la tasa de expansión del Universo, gracias a las ondas gravitacionales. Este asunto lleva décadas intrigando a los científicos.
Representación de la fusión de dos estrellas de neutrones, creando ondas gravitacionales / ESO
Según la Relatividad General de Einstein, los planetas, las estrellas y las galaxias están en una red conocida como espacio-tiempo, que es deformada por la masa y que explica así la existencia de los campos gravitatorios. Esta teoría se basa en la idea de que la materia le dice al espacio cómo curvarse y el espacio le dice a la materia cómo moverse. Lo hacen por medio de una fórmula muy importante y conocida como « ecuación de campo de Einstein». Esta ecuación, similar en importancia a la famosa «E=mc^2», viene a decir que la curvatura de una zona del espacio es proporcional a la cantidad de materia (y energía) que encierra. Por tanto, si los planetas giran alrededor del Sol es porque nuestra estrella «hunde» el espacio-tiempo de modo que los planetas caen hacia él, por el camino más corto.
Poco después de proponer su ecuación de campo, en 1915, Einstein descubrió que había definido un espacio-tiempo que podía estirarse o contraerse, como una goma, pero que no podía permanecer estático. Esto indicaba, ni más ni menos, que el Universo no era fijo, eterno ni invariable, lo que, por entonces, iba contra el consenso científico. Así que en 1917 Einstein retocó su ecuación de campo e introdujo un parámetro o variable, que aseguraba que el Universo estaba en equilibro gracias a una especie de fuerza antigravotatoria. A este parámetro se le llamó constante cosmológica. Según Einstein, esta constante debía estar expresando la acción de una forma de energía exótica, una especie de gravedad repulsiva, que tendría el efecto contrario a la fuerza de la gravedad. Gracias a ella, el Universo estaba en equilibrio y era estático, tal como consideraban los astrónomos por entonces.
Sin embargo, en 1929 Edwin Hubble aseguró, en base a sus observaciones, que el Universo se estaba expandiendo. A partir de entonces también fue resultando más evidente que el Universo era mucho más extenso que nuestra propia galaxia, y que había un número inmenso de otras galaxias. Así que Einstein declaró que su constante cosmológica, que mantenía estático al Universo, había sido el mayor error de su carrera. Y su parámetro cayó en el olvido.
La expansión acelera
Pero, a medida que la ciencia avanza va echando por tierra todo lo que creemos saber. La constante cosmológica volvió al ruedo en la década de los noventa. Por entonces se constantó un hecho sorprendente: que la expansión del Universo experimenta una aceleración. Así que en esta ocasión los astrónomos volvieron a introducir la constante cosmológica en la ecuación de campo de Einstein. Su cometido fue otorgarle aceleración a la expansión, con lo que poco a poco fue ganando fuerza la idea de la energía oscura, como motor de la «repulsión» en el Universo.
Esta constante cosmológica hoy es representada con la letra lambda (Λ) y también es conocida como energía de vacío. Está muy relacionada con el concepto de energía oscura y es uno de los pilares del modelo cosmológico, que es el marco teórico que explica la evolución del Universo desde el Big Bang y de nombre Λ-CDM.
Uno de las claves para mantener este modelo es saber, con exactitud, cómo se está expandiendo el Universo. Existe un número, el parámetro o constante de Hubble que es fundamental en este cometido. Este número expresa la tasa de expansión del Universo y permite estimar su edad. Junto a otros parámetros, permite hallar también su curvatura y su destino.
Los faros del Universo
Hasta ahora, los astrónomos han podido estimar el valor del parámetro de Hubble de las observaciones de tres fenómenos distintos, tal como ha explicado a ABC Eva Villaver, investigadora del departamento de fisica teórica de la Universidad Autónoma de Madrid. Por un lado se infiere de la radiación de fondo de microondas, un eco de energía procedente de los comienzos del Universo y, por otra, de dos faros astrosíficos: las supernovas de tipo Ia y las estrellas variables Cefeidas.
Cassiopeia A, remanente de una supernova de tipo II / NASA/CXC/SAO
Tanto las primeras como las segundas se caracterizan porque los astrónomos saben con exactitud la cantidad de luz que emiten. Por tanto, observar la cantidad de su luz que llega a la Tierra permite estimar con facilidad a qué distancia se encuentran. Además, la luz que nos mandan se desplaza hacia el rojo, porque estos objetos se alejan de nosotros a medida que el Universo se expande. Este efecto ocurre también con el sonido emitido por una ambulancia que se acerca o aleja de nosotros: las ondas cambian su longitud de onda a causa de la velocidad de la ambulancia, y por eso percibimos un sonido más agudo o más grave según el automóvil se acerque o aleje, respectivamente. Pues bien, con la luz este efecto es similar, pero causa un desplazamiento hacia el rojo o al azul, en función de si el objeto se aleja o acerca, respectivamente, de la Tierra.
La problemática constante de Hubble
El problema que existe en la actualidad es que el fondo de radiación y las medidas a partir de supernovas y estrellas variables le dan a los astrónomos distintos valores para la constante de Hubble. «Las medidas son muy similares, pero la discrepancia es suficiente para que nos cuestionemos el modelo», explica Eva Villaver.
No es que cambiar el modelo suponga un gran problema, porque en cosmología los modelos se cambian cuando es necesario, pero hacerlo sí que tendría importantes implicaciones: «La constante de Hubble es la manera que tenemos de medir la edad del Universo», ha explicado Villaver. Además, «desde que aprendimos que se está expandiendo, sabemos que hay una relación entre la distancia a la que están los objetos y la velocidad a la que se alejan de nosotros».
Un grupo de científicos del University College de Londres y del Instituto Flatiron (EE.UU.), dirigidos por Stephen Feeney, acaba de proponer un modo de afinar por fin el valor de la constante de Hubble. En un artículo que han publicado en Physical Review Letters, han detallado cómo, en apenas 10 años, los astrofísicos podrán calcular la tasa de expansión del Universo con precisión sencillamente observando un raro fenómeno astronómico: la fusión de parejas de estrellas de neutrones. De hecho, han calculado que, con 50 de estas será posible resolver este enigma.
La respuesta, en las estrellas de neutrones
En octubre de 2017 los astrónomos observaron una de estas fusiones por primera vez en la historia. El logro fue posible gracias a una tecnología muy novedosa que permite captar las ondas gravitacionales, unas distorsiones del espacio-tiempo que se expanden por el Universo a la velocidad de la luz, y que se producen por ejemplo cuando dos agujeros negros o dos estrellas de neutrones se fusionan. Pues bien, después de captar estas ondas, en 2017, se pudo estimar dónde se encontraba la fuente y apuntar con los telescopios terrestres para echar un vistazo en busca de la luz del evento.
Esto es precisamente lo que sugieren hacer los investigadores dirigidos por Feeney: «Hemos calculado que observando 50 fusiones de estrellas de neutrones en la próxima década, tendremos suficientes datos de ondas gravitacionales para determinar de forma independiente la mejor medida de la constante de Hubble», ha dicho en un comunicado. «Deberíamos poder captar suficientes fusiones para responder a esta pregunta en los próximos cinco o diez años».
Feeney, junto a la coautora Hiranya Peiris, han elaborado una técnica para calcular cómo las ondas gravitacionales podrán resolver el problema de la constante de Hubble. «Esto nos llevará a la imagen más precisa de cómo el Universeo se está expandiendo y nos ayudará a mejorar nuestro modelo cosmológico», ha dicho Peiris.
«La clave es medir la distancia, a partir de los datos de las ondas gravitacionales, y medir la velocidad», ha dicho Eva Villaver, para referirse a los eventos de fusión de estrellas de neutrones. De esa forma, se tendrían las dos cosas necesarias para hacer nuevas medidas de la constante de Hubble y, en definitiva, comprender mejor cuán rápido se está expandiendo el Universo.
Probablemente Albert Einstein habría quedado sorprendido al averiguar que las ondas gravitacionales, que su teoría predijo pero que no pensó que se pudieran medir, iban a ayudar a comprender lo viejo que es el Universo y cuál será su destino.
