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24 de Diciembre de 2019
Astrofísica

¿Que no hay energía oscura? ¿Cómo que no?, dicen los cosmólogos

Un estudio ha puesto en entredicho la misteriosa fuerza antigravitacional conocida como energía oscura. Pero los cosmólogos han contraatacado.

La supernova SN 2007af es claramente visible cerca del borde inferior derecho de la galaxia espiral NGC 5584 [ESO].

Por misteriosa que suene, la energía oscura forma ya parte del inventario cosmológico. Desde 1998 se han ido acumulado los indicios de la existencia de esta energía repulsiva que impregna el espacio. Aquel año, los astrónomos descubrieron que la expansión del universo se había ido acelerando con el tiempo; la energía oscura era el acelerador. A medida que el espacio se expande, más espacio surge, y con él, más de esa energía repulsiva, con lo que el espacio se expande aún más deprisa.

Veinte años después, múltiples mediciones no relacionadas entre sí han coincidido en que la energía oscura comprende alrededor del 70% del contenido del universo. Hasta tal punto ha cuajado en nuestro conocimiento del cosmos que resultó toda una sorpresa que un artículo científico, publicado hace poco en la revista Astronomy & Astrophysics, pusiese en duda su mera existencia.

Los cuatro autores, entre ellos el físico de Oxford Subir Sarkar, realizaron sus propios análisis de los datos de cientos de supernovas (las explosiones estelares que proporcionaron la primera prueba de la aceleración cósmica, descubrimiento que les valió en 2011 el premio Nobel de física a tres astrónomos). Cuando Sarkar y sus colaboradores estudiaron las supernovas, no vieron un universo que se acelera uniformemente en todas las direcciones como consecuencia de la energía oscura. Muy al contrario, sostienen que las supernovas aparecen como aparecen porque nuestra región del cosmos se acelera en una dirección determinada, más o menos hacia la constelación de El Centauro del cielo austral.

Otros expertos se pusieron casi de inmediato a hacer pedazos el artículo y encontrar lo que parecían errores en su metodología. Dos cosmólogos han formalizado esos y otros argumentos en un artículo subido a la Red el 6 de diciembre y remitido a The Astrophysical Journal. Los autores, David Rubin y su alumna Jessica Heitlauf, de la Universidad de Hawai, Manoa, detallan los cuatros mayores problemas que afectan al análisis de los datos por Sarkar y sus colaboradores. «¿Se acelera la expansión del universo?», pregunta el título del artículo de Rubin y Heitlauf. «Todo apunta a que sí».

Otros investigadores han alabado la disección efectuada por el artículo. «Los argumentos de Rubin y Heitlauf son muy convincentes», dice Dragan Huterer, cosmólogo de la Universidad de Michigan. «Algunos ya se me habían ocurrido a mí al mirar el artículo original [el de Astronomy & Astrophysics]», y otros me son nuevos pero tienen mucho sentido».

Sin embargo, Sarkar y sus coautores (Jacques Colin y Roya Mohayaee, del Instituto de Astrofísica de París, y Mohamed Rameez, de la Universidad de Copenhague) no están de acuerdo con las críticas. A los pocos días de que saliese el artículo de Rubin y Heitlauf publicaron una refutación de la refutación.

Los cosmólogos no se han impresionado. Huterer dice que la última réplica a veces «no ve dónde está el problema» e intenta debatir principios estadísticos que «no son negociables». Dan Scolnic, cosmólogo de supernovas de la Universidad Duke, se reafirma en que «las pruebas a favor de la existencia de la energía oscura aportadas aunque sea solo por las supernovas son significativas y sólidas».

Trávelin astronómico

La expansión del espacio estira la luz y la enrojece. Las supernovas parece que están más «corridas hacia el rojo» cuanto más lejos estén, ya que su luz ha tenido que viajar más a través del espacio en expansión. Si el espacio se expandiese a un ritmo constante, el corrimiento al rojo de una supernova sería directamente proporcional a su distancia, y por lo tanto a la magnitud de su brillo aparente.

Pero en un universo que se acelera, lleno de energía oscura, el espacio se expandió menos deprisa en el pasado que ahora. Quiere decir que la luz de una supernova se habrá estirado menos durante su viaje hasta la Tierra, dado lo lentamente que el espacio se expandió durante buena parte del tiempo. Una supernova situada a cierta distancia (indicada por su brillo) parecerá bastante menos corrida hacia el rojo que si en el universo no hubiese energía oscura. Lo cierto es que los investigadores han observado que el corrimiento al rojo y el brillo de las supernovas se disponen precisamente de esa manera.

A medida que el universo se expande, la luz de los objetos distantes se estira, o «corre al rojo». Pero si la expansión del universo se acelera como consecuencia de la energía oscura, entonces es que el universo se expandió en el pasado más despacio que ahora. Esto reduce el corrimiento al rojo (en las abscisas) de los objetos lejanos. O dicho al revés: un objeto con un determinado corrimiento al rojo estará más lejos. Es lo que observan los cosmólogos cuando estudian las explosiones estelares lejanas a las que se conoce como supernovas del tipo 1a [Fuente: adaptada de los datos del Análisis Conjunto de la Curva de Luz (<a href="https://arxiv.org/pdf/1401.4064.pdf" target="_blank">Betoule et al., 2014</a>); gráfica de Dillon Brout].<span><br /></span>

En su reciente artículo, Sarkar y sus colaboradores adoptaron en el análisis un enfoque poco corriente. Por lo normal, los estudios de los datos de las supernovas tienen en cuenta el movimiento de la Tierra. Como la Tierra orbita alrededor del Sol, que orbita en la galaxia, que orbita en el grupo local de galaxias, resulta que nos movemos por el espacio, nosotros y nuestros telescopios, a una velocidad de unos 600 kilómetros por segundo. Nuestro movimiento neto se dirige hacia una región densa situada cerca de El Centauro. En consecuencia, la luz que procede de esa dirección está sujeta a un corrimiento Doppler que hace que parezca más azul que la que viene del lado opuesto del cielo.

Lo común es corregir ese movimiento y transformar los datos de las supernovas como correspondería a un sistema de referencia estacionario. Pero Sarkar y sus colaboradores no hacen eso. «Si no se sustrae [ese movimiento], meterá el mismo corrimiento Doppler en los datos de las supernovas», explicaba Rubin en una entrevista. «Lo que nosotros decimos es que la mayor parte del efecto se debe al movimiento del sistema solar».

Otro problema del artículo, según Rubin y Heitlauf, es que Sarkar y sus colegas «supusieron algo totalmente incorrecto»: no tuvieron en cuenta que el polvo cósmico absorbe más la luz azul que la roja.

Por ello, una supernova que esté en una región bastante «limpia», libre de polvo, parecerá especialmente azul, ya que habrá menos polvo que absorba su luz azul. La falta de polvo significa también que parecerá más brillante. Por lo tanto, las lejanas supernovas que vemos con nuestros telescopios son desproporcionadamente azules y brillantes. Si no se controla la dependencia del color creada por el polvo, se inferirá que hay una diferencia menor entre la brillantez de las supernovas cercanas (en promedio, más polvorientas y enrojecidas) y de las lejanas (en promedio, más azuladas y brillantes), y como resultado se inferirá que la aceleración cósmica es menor.

La combinación de estas y otras decisiones le permitiron al grupo de Sarkar modelizar sus datos de las supernovas con un término «dipolar», una aceleración que apunta en una sola dirección, y con solo un «monopolo» pequeño, o posiblemente nulo, que describiría el tipo de aceleración uniforme que corresponde a la energía oscura.

Este modelo dipolar tiene otros dos problemas, dicen Rubin y Heitlauf. En primer lugar el modelo incluye un término que da la rapidez con que la aceleración dipolar cae a cero con el alejamiento a la Tierra; Sarkar y compañía hicieron pequeña esa distancia, lo que significa que su modelo no se comprueba con una muestra grande de supernovas. Y en segundo lugar, el modelo no satisface una comprobación de coherencia en la relación entre los términos dipolar y monopolar de las ecuaciones.

No es lo mismo todo

El día que salió el artículo de Rubin y Heitlauf, Sarkar dijo por correo electrónico que «no creemos que haya que hacerle revisión alguna a nuestro análisis». Él y su equipo publicaron enseguida en la Red su refutación de los cuatros puntos del dúo; en ella repetían más que nada justificaciones anteriores. Citaban investigaciones de Natallia Karpenka, cosmóloga que dejó la investigación para dedicarse a las finanzas, que respaldaban una de sus decisiones, pero tergiversaban su trabajo, afirma Rubin. Otros cuatro cosmólogos con los que se ha puesto en contacto Quanta dicen que su punto de vista no ha cambiado con la respuesta del grupo.

A quienes les parezca difícil de seguir el toma y daca sobre el análisis de los datos deberían tener en cuenta que los datos de las supernovas coinciden con otros indicios de que existe la aceleración cósmica. Con los años, la existencia de la materia oscura se ha inferido de la antigua luz que recibe el nombre de fondo cósmico de microondas, de unas fluctuaciones de la densidad del universo llamadas oscilaciones acústicas bariónicas, de la forma de las galaxias gravitacionalmente distorsionadas y de la manera en que se agrupa la materia en el universo.

Sarkar y sus colaboradores fundamentan su trabajo en un respetable conjunto de investigaciones sobre el «problema del ajuste cosmológico». Los cálculos de los parámetros cosmológicos, por ejemplo de la densidad de la energía oscura (que se representa en las ecuaciones de la gravedad de Einstein con la letra griega lambda), tienden a tratar el universo como un promedio que suaviza sus inhomogeneidades (las galaxias, los vacíos). El problema del ajuste pregunta si esa aproximación no conducirá a inferencias incorrectas sobre los valores de constantes como lambda, o si no podría incluso indicar la existencia de una lambda que no existe.

Pero las últimas investigaciones sobre la cuestión, incluida una gran simulación cosmológica publicada este verano, rechazan esa posibilidad. Las inhomogeneidades «podrían cambiar lambda en un uno o un dos por ciento», dice Ruth Durrer, de la Universidad de Ginebra, coautora de ese artículo, «pero no pueden librarse de ella. Eso es simplemente imposible».

Natalie Wolchover / Quanta Magazine

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Is the expansion of the universe accelerating? All signs still point to yes», de David Rubin y Jessica Heitlau, en arXiv:1912.0219 [astro-ph.CO]; «Evidence for anisotropy of cosmic acceleration», de Jacques ColinRoya MohayaeeMohamed Rameez y Subir Sarkar, prepublicado en Astronomy & Astrophysics 631, L13 (2019).

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