¿Cómo calculan los astrónomos la edad que tiene el universo?

Una de las cuentas más complicadas que hacen los astrónomos es calcular de la edad del universo. No es porque sea matemáticamente difícil, sino porque depende de observaciones muy complejas de realizar.

 

En 1970 la revista Physics Today publicaba un artículo del gran Allan Sandage, Don Cosmología, el sucesor de Edwin Hubble -el descubridor de la expansión del universo en 1929- en el observatorio de Monte Wilson. Su título definía concisa y precisamente lo que era la cosmología: “La búsqueda de dos números”. Esos números son la constante de Hubble, H0, y el parámetro de deceleración, q0. Determinar su valor no es empresa fácil. Los cosmólogos llevan intentándolo más de 90 años.

En el centro del estado de Colorado, donde la nieve se arremolina por la cordillera Sawatch, en las Rocosas, un puñado de físicos y cosmólogos se reúnen todos los años en la turística ciudad de Aspen. Allí la nieve se arrastra sobre los tejados planos de una serie de pequeños edificios de cedro que albergan el Centro de Física mientras los científicos, sentados en pupitres y en ropa de esquiar, discuten sobre el origen y evolución del universo. Curiosamente, durante años uno de los puntales de la comunidad de cosmólogos de Aspen fue Maurice, el bajito y alegre chef francés de educación suiza que se ocupaba de alimentarlos y empezaba todas sus recetas con 120 gramos de mantequilla; el universo, por su parte, comenzó con una gran explosión. Ahora bien, mientras que todos los cosmólogos sabían cuándo debían acudir al comedor, ninguno podía decir con certeza cuándo nació el universo.

Se puede calcular la edad del universo del mismo modo que podemos saber cuándo la soltaron una piedra de la mano si conocemos su posición y velocidad. Para el universo basta con estimar su velocidad de expansión, especificada por la constante de Hubble. Aunque viene expresada en unas curiosas unidades (kilómetros por segundo y por megaparsec), su inversa es la edad del universo. Y aquí está la complicación. Desde hace medio siglo los cosmólogos están divididos en dos bandos: aquellos que piensan que el universo se expande relativamente rápido, con un valor para la constante de 100, y aquellos que favorecen una expansión lenta, con un valor de 50.

Uno de los proyectos clave del telescopio espacial Hubble era zanjar de una vez por todas el debate midiendo la distancia de 31 galaxias espirales lejanas. La conclusión final recuerda la sentencia del viejo Salomón: la constante de Hubble vale 74. El universo tiene, por tanto, 13 000 millones de años. Pero la polémica no terminó ahí. Las dos escuelas cosmológicas siguen con las espadas en alto. Cada una usa un tipo de medición de distancias para confirmar sus propias predicciones. Freedman utiliza toda su artillería y una técnica de esotérico nombre, fluctuación de brillo superficial (FBS) ―que mide el “aterronamiento” de estrellas en las galaxias activas y en la parte central de las espirales: cuanto más lejos se encuentran, menos aspecto grumoso presentan― para defender un universo joven. Sandage emplea sus “bombas estándar”, las supernovas de Tipo Ia ―enanas blancas que explotan al robar materia de su estrella compañera―, para defender un universo viejo. ¿Es posible que ambos métodos se encuentren viciados? No. El año pasado un grupo de astrónomos demostró que si el FBS decía que la galaxia A estaba dos veces más lejos que la B, las supernovas Ia lo confirmaban.

¿Por qué no utilizar ambos métodos en consonancia para resolver el problema? Quizá, pero no es tan fácil. Algunos astrónomos piensan que nos encontramos dentro de una burbuja de Hubble, una región que se expande más deprisa que el universo como un todo. Por tanto, todas las observaciones dentro de la burbuja están viciadas. Y como el método FBS no puede aplicarse a distancias tan lejanas como el de las supernovas el valor de la constante de Hubble sigue flotando en el limbo entre 74 y 58. Eso sí, la mayoría de los astrónomos creen que el valor real se encuentra más cerca del primero que del segundo.

Si la medición de la velocidad de la expansión del universo da semejantes quebraderos de cabeza, hacer lo propio con sus cambios es una empresa imposible. El universo se está expandiendo, pero ¿acelera o decelera? Resolver este misterio requiere medir el segundo número, el parámetro de deceleración q0.

Hace unos años quien quisiera hacerlo debía pesar la materia que contiene todo el universo. Si sólo fuera realizar un mero contaje de estrellas, nebulosas y galaxias ya lo hubiéramos obtenido. Ahora bien, Einstein dijo que «la naturaleza es sutil, pero no maliciosa», pero en este caso hay que reconocer que se ha pasado de pillina. Observando la rotación de las galaxias espirales y los movimientos internos en los cúmulos de galaxias los astrónomos han llegado a la conclusión que gran parte del universo se encuentra en forma de materia oscura, que no se ve. El problema es tan grave que ni tan siquiera se sabe de qué está hecha esa misteriosa materia. Sin embargo, el descubrimiento de las supernovas Tipo Ia ha dado motivos para la esperanza. Si se observan en galaxias muy lejanas se puede saber si el universo se expandía antes más rápidamente que ahora. A ello se dedican dos equipos internacionales: el High-Z Supernova Search Team (High-Z) y el Supernova Cosmology Project (SCP). Lo que preocupa es su escasez: este tipo de supernovas sólo aparecen en una galaxia una vez cada 100 años.

Determinar el valor del parámetro de deceleración es, además, una prueba del nueve para el modelo cosmológico comúnmente aceptado. No dice nada sobre qué valor debe tomar la constante de Hubble pero sí el del parámetro de deceleración: 0,5. Ahora bien, los resultados de High-Z y SCP apuntan a que su valor es en realidad más bajo y, por tanto, el universo no está frenando, sino que acelera.

Los cosmólogos tienen que resolver un importante problema. La teoría cosmológica estándar predice que la densidad de materia del universo es justo el valor crítico que separa un universo que colapsa bajo su propia gravedad de otro que se expande indefinidamente. Pero las observaciones de las supernovas implican una densidad de materia negativa, algo ridículo. Ante semejante desastre los cosmólogos no se amilanan. De hecho, se trata de unos personajes muy flexibles y han decidido introducir un ente sorprendente y tan imposible de creer como lo era el éter que llenaba el espacio decimonónico: la energía del vacío. Esto nos lleva directamente a la física de lo muy pequeño, a la mecánica cuántica. Según el famoso principio de incertidumbre, el vacío ―entendido como ausencia de materia y energía― no existe. En realidad es un hervidero de partículas que aparecen y desaparecen en menos tiempo que dura un suspiro. La cuestión es que esta “energía del vacío” tiene un efecto visible sobre el universo, proporcionándole un empujón adicional a la expansión. Einstein fue el primero en introducir este “empujón”, aunque por razones bien distintas: sus ecuaciones daban como resultado un universo en expansión y entonces se pensaba que el universo era estático. Para detener la expansión introdujo un factor de repulsión cósmica que llamó constante cosmológica. Cuando Hubble descubrió la expansión, Einstein reconoció que introducir la constante cosmológica había sido el error más grave de su vida. Muerta en 1929, ha resucitado bajo el aspecto de la energía del vacío y, aparentemente, va a quedarse con nosotros durante mucho tiempo.

Miguel Ángel Sabadell

Miguel Ángel Sabadell

Me licencié en astrofísica pero ahora me dedico a contar cuentos. Eso sí, he sustituido los dragones y caballeros por microorganismos, estrellas y científicos de bata blanca.

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