aceleración y desaceleración cósmica

El cosmos se expande, y esa expansión se acelera. Pero ¿y si en los primeros instantes tras el Big Bang la gravedad funcionara de otra manera? Los autores del nuevo trabajo añadieron a las ecuaciones de Einstein un campo invisible que intercepta la energía de la materia y la radiación ordinarias.

En 1929, Edwin Hubble apuntó su telescopio a galaxias lejanas y descubrió que se alejan. Noventa años después, dos mediciones de la velocidad de esa expansión —una basada en la luz antigua y otra en estrellas cercanas— se niegan a coincidir. Una discrepancia del 9% no se puede achacar a errores.

Las ondas cósmicas comienzan con pequeños cúmulos. A los 380 000 años después del Big Bang, el universo era casi homogéneo: las variaciones de densidad eran solo de 1/100 000. Pero la gravedad convirtió esas débiles fluctuaciones en galaxias, cúmulos y enormes vacíos.

Una computadora cuántica se apoya en dos fuerzas: el entrelazamiento (las partículas se comportan como un todo único) y la «magia», una medida de cuán lejos está el estado de la física clásica habitual. Pero cómo se relacionan estos dos recursos cuando un sistema de muchas partículas evoluciona en el tiempo seguía siendo un misterio.

Durante décadas, la radioastronomía ha escuchado el cosmos con la esperanza de captar transmisiones de radio de banda estrecha, la «voz» tecnológica de lejanos exoplanetas.

En cosmología se está gestando un drama: dos instrumentos musicales principales —la orquesta del universo temprano y el conjunto de cámara del cosmos actual— interpretan la misma sinfonía de expansión a diferentes ritmos.

El modelo cosmológico estándar, basado en las ecuaciones de campo propuestas por Einstein, describe el Universo como un cóctel de materia oscura (descubierta gracias a Vera Rubin) y energía oscura en una proporción aproximada…

Imagina una orquesta cósmica interpretando una sinfonía desde el Big Bang hasta nuestros días. El director —energía oscura— durante mucho tiempo pareció un metrónomo impasible: la constante cosmológica Λ inmóvil, como una batuta congelada en el aire.

Cuando miramos al espacio profundo, vemos el pasado. La ley de Edwin Hubble convierte el corrimiento al rojo en una máquina del tiempo: la luz de la galaxia UDS 12999 tardó 7.600 millones de años en llegar hasta nosotros — más de la mitad de la vida del Universo.

¿La constante cosmológica de Einstein fue un error lamentable o una revelación que regresó como un bumerán? La aceleración del Universo tomó por sorpresa a los físicos: ΛCDM funciona, pero ¿por qué la energía del vacío es tan ridículamente pequeña?

El universo se expande con aceleración, como una masa que sube cada vez más rápido aunque la levadura se acabó hace tiempo. Durante veinte años, los astrónomos han buscado la causa y la llaman energía oscura. Pero qué es exactamente sigue siendo un misterio. El nuevo trabajo propone una fuente inesperada: el vacío dentro del núcleo atómico.

Desde finales del siglo XX se sabe: la expansión del Universo se acelera — las galaxias se alejan cada vez más rápido. El descubrimiento valió el Premio Nobel para Adam Riess, Saul Perlmutter y Brian Schmidt.

El universo crece como una metrópolis: las galaxias-rascacielos se levantan sobre un armazón invisible de materia oscura; su peso atrae el material de construcción. Mientras, la energía oscura hace que la propia ciudad se expanda sin cesar.

Una ciudad enorme enciende nuevas farolas cada noche. Pero un día azota un huracán que arranca todo el combustible de los almacenes, y las farolas se apagan una tras otra. Algo parecido han vislumbrado los astrónomos en una galaxia cuya luz ha tardado 12,5 mil millones de años en llegarnos.

El Universo en sus etapas tardías puede imaginarse como una multitud que se dispersa tras un concierto. En el modelo cosmológico habitual ΛCDM, la gente camina en silencio, sin molestarse. Pero ¿y si de repente miles de espectadores empiezan a dar ligeros empujones a sus vecinos?

A finales de los años 90, astrónomos como Saul Perlmutter descubrieron que el universo se expande aceleradamente. La causa se denominó energía oscura, una fuerza invisible que empuja el cosmos.

El vacío cósmico no es el vacío, sino un océano vivo: su energía se hincha y mengua al compás de la expansión. Como una marea lunar, la densidad del vacío responde con sensibilidad al ritmo de Hubble —la batuta del Universo—.

La cosmología es la música de las esferas, y la constante de Hubble alguna vez nos pareció un metrónomo fiable. Pero los datos del instrumento DESI, que estudia espectros de millones de galaxias, sugieren: el director —la energía oscura— cambia personalmente el tempo a lo largo de la sinfonía.

Nuestro universo no solo se expande: lo hace cada vez más rápido. Es como una masa con pasas en el horno: las pasas se alejan unas de otras, y cuanto más lejos ya han volado, más rápido continúan separándose. La extraña fuerza que empuja el cosmos recibió el nombre de energía oscura.

Justo después del Big Bang, el espacio podría haber vibrado por efectos cuánticos, como una cuerda. Al calmarse, esas oscilaciones habrían dejado una marca en la separación de las galaxias — el efecto memoria. La búsqueda de ese eco en los datos de telescopios no dio nada.

El universo se expande, y en su historia hay dos episodios sorprendentes que aún no encajan en el panorama simple. El primero es un período corto en su juventud, cuando todo se dispersaba más rápido de lo esperado, como si alguien hubiera pisado el acelerador. El segundo es la aceleración actual, como si el mismo pedal estuviera pisado de nuevo, pero con más suavidad.

Un globo inflable primero se expande lentamente y luego, de repente, cada vez más rápido, como si alguien lo inflara desde dentro. Más o menos así se comporta nuestro universo: las galaxias se alejan unas de otras con aceleración. La culpable de esta aceleración se llama energía oscura.

El Universo es una enorme ciudad. La materia oscura es el armazón invisible de los edificios, y la energía oscura es la fuerza que estira las calles. Durante mucho tiempo se las consideró independientes, pero una nueva investigación las ha pillado en comunicación secreta.

La galaxia es una autopista cósmica donde las estrellas, como coches, corren en círculos. Su velocidad depende de una «carga» invisible dentro de la órbita: cuanta más masa, más rápido van los vehículos de fuera.

El péndulo elige por sí mismo cómo oscilar. Si lo empujas con demasiada fuerza, vuelve rápidamente a un ritmo suave. Si lo mantienes en su posición extrema, se quedará quieto, pero en cuanto lo sueltes, retomará su movimiento habitual.

En un fino sándwich de semiconductores, la luz crea pares: un electrón y un hueco positivo que se mantienen unidos como una pelota atada a una goma elástica. Normalmente, estos pares, los excitones, emiten luz rápidamente y desaparecen. Pero hay otros, los oscuros, que viven cientos de veces más porque su estructura interna les impide ceder energía al exterior con facilidad.

Inflas un globo. Al principio se expande rápido, luego más lento, y de repente vuelve a acelerarse, como si alguien le diera más aire con la bomba. Eso es, precisamente, lo que parece estar ocurriendo con nuestro universo.

Dos agujeros negros, girando uno alrededor del otro, se comportan como un bote que rema con estrellas. Cada estrella que pasa es expulsada, como una palada de remo, y transfiere impulso al par. Durante mucho tiempo se pensó que esto simplemente los acerca.

El Universo es como un globo que se infla. La mecánica cuántica prohíbe medir con precisión al mismo tiempo cuán grande es y qué tan rápido se expande. Este principio impregna el cosmos: una nueva ecuación afirma que la expansión del Universo y su tamaño están ligados por una incertidumbre fundamental.

Un globo se infla, pero con cada pulsación de la bomba, la goma no solo se estira: también altera ligeramente su elasticidad. De manera similar funciona la gravedad en el nuevo modelo: no como un escenario rígido para el espectáculo cósmico, sino como un material vivo que responde a cada partícula de materia.

Después del Big Bang, la materia oscura y la materia ordinaria (principalmente hidrógeno) se separaron en velocidad.

Un globo se está inflando. Al principio se expande lentamente, luego alguien le añade aire de golpe y el globo se infla más rápido. Pero la corriente de aire se debilita y el globo vuelve a inflarse más despacio.

Nadie ha visto la materia oscura, pero su atracción la siente cada galaxia. Lo más común es imaginarla como un mar de partículas idénticas y silenciosas. El nuevo trabajo dibuja un panorama más vivo: dos tipos de partículas, una pesada y otra ligera, entre las cuales hay un intercambio constante.

Lanza dos piedritas idénticas desde la cima de una montaña: si una cae un centímetro más a la izquierda, en un minuto estarán en valles distintos. Una galaxia es como esa montaña, pero con miles de millones de piedras y una ladera que se extiende a lo largo de millones de años.

Otras galaxias son solo instantáneas antiguas, mientras que a la Vía Láctea la observamos en directo.

Las galaxias se alejan, pero la velocidad de expansión, medida por el resplandor posterior al Big Bang y por las explosiones de supernovas, no coincide; este problema se conoce como tensión de Hubble. Como dos bailarines que pierden el ritmo porque no se sienten el uno al otro.

Los científicos propusieron un modelo en el que la misteriosa fuerza (energía oscura) posee algo parecido a la inercia: necesita tiempo para reaccionar, como un péndulo pesado. Debido a esto, la expansión del universo no se acelera eternamente, sino que se amortigua, como un péndulo en miel espesa.

En los años treinta, Pauli comprendió: sin unas diminutas partículas fantasmales, la energía de las estrellas no cuadraba. Así nacieron los neutrinos, viajeros intangibles que lo atraviesan todo.

El Universo temprano estaba lejos de ser perfecto: algunas regiones se estiraban más rápido que otras, creando pliegues y distorsiones. Pero el rebote cuántico —la transición de contracción a expansión, causada por las leyes del micromundo— lo corrige todo.