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4 de Febrero de 2019
Cosmología

Sorpresa cósmica: un estudio halla indicios empíricos de que la energía oscura podría cambiar con el tiempo

Una nueva técnica para medir distancias cósmicas a partir de cuásares halla una desviación de cuatro sigmas con respecto a las predicciones del modelo cosmológico estándar

Los cuásares (recreación artística) son galaxias distantes cuyo núcleo emite grandes cantidades de radiación, por lo que forman parte los objetos astronómicos más distantes conocidos. Un método para relacionar su brillo con su luminosidad intrínseca ha permitido estudiar la expansión del universo en épocas para las que hasta ahora no existían datos directos. [ESO/M. Kornmesser]

Un trabajo que ha hecho uso de una técnica pionera para medir distancias cósmicas ha obtenido resultados que, en caso de confirmarse, invalidarían uno de los postulados del modelo cosmológico de consenso. En concreto, las conclusiones del nuevo estudio hacen referencia a las propiedades de la energía oscura, el misterioso agente responsable de la expansión acelerada del universo. Según el trabajo, firmado por Guido Risaliti, de la Universidad de Florencia, y Elisabeta Lusso, de la de Durham, los datos sugieren que la densidad de energía oscura no habría sido constante a lo largo de la historia cósmica, como se suponía hasta ahora, sino que habría ido aumentando con el tiempo. Los resultados se publican en Nature Astronomy.

Hasta ahora, el estudio de la expansión cósmica a lo largo de la historia del universo se basaba en dos tipos principales de datos: los obtenidos a partir de supernovas distantes y los inferidos a partir del fondo cósmico de microondas. Ambos métodos, sin embargo, analizan épocas muy diferentes del cosmos: las supernovas y otras técnicas, como el análisis de cúmulos de galaxias, permiten analizar el universo «reciente», desde la actualidad hasta hace unos 9000 millones de años (la edad actual del cosmos se estima en unos 14.000 millones de años). El fondo cósmico de microondas, en cambio, puede entenderse metafóricamente como una fotografía del universo muy poco después de la gran explosión, cuando apenas contaba 380.000 años (el 0,003 por ciento de su edad actual). Hasta hora, sin embargo, los investigadores carecían de datos directos para analizar lo ocurrido entre la gran explosión y el momento en que el cosmos contaba unos 5000 millones de años.

El trabajo publicado ahora ha llenado gran parte de ese hueco. Gracias a una técnica para medir distancias cósmicas a partir de cuásares (galaxias distantes cuyo núcleo emite grandes cantidades de radiación), Risaliti y Lusso han obtenido los primeros datos directos sobre la tasa de expansión cósmica durante los últimos 12.000 millones de años. Desde la actualidad hasta hace 9000 millones de años, los resultados coinciden con los proporcionados por los estudios de supernovas. Para épocas más remotas, sin embargo, comienzan a diferir de manera significativa de lo que cabría esperar a partir del modelo cosmológico de consenso. Los investigadores cuantifican esa discrepancia en cuatro desviaciones estándar.

Juan García-Bellido, cosmólogo del Instituto de Física Teórica de Madrid, es cauto con los resultados por cuanto han sido obtenidos con una nueva técnica y aún deberán ser replicados por otros investigadores. Sin embargo, reconoce la relevancia del trabajo de Risaliti y Lusso: «Podrían revolucionar el campo de la cosmología observacional», señala.

El misterio de la energía oscura

Uno de las principales preguntas de la cosmología y la física teórica actuales atañe a la naturaleza de la energía oscura, el enigmático agente que hizo que, hace unos 5000 millones de años, el universo comenzara a expandirse cada vez más deprisa. Aunque los físicos ignoran por completo sus propiedades, sí saben que esta sustancia da cuenta de la mayor parte del contenido energético del universo actual: el 70 por ciento, según todas las estimaciones (el 25 por ciento corresponde a la materia oscura, mientras que el 5 por ciento restante se debería a la materia y la radiación ordinarias).

En el modelo cosmológico de consenso, la energía oscura queda descrita por la constante cosmológica: una constante universal de la naturaleza que aparece con naturalidad en la teoría de la relatividad general de Einstein. Dicha constante puede interpretarse como la densidad de energía presente en el vacío cuántico y, como su nombre indica, su valor sería el mismo en todos los puntos del espacio y a lo largo de todas las épocas del cosmos. Eso es lo que asume el modelo cosmológico estándar, razón por la que también es conocido como «ΛCDM», donde CDM corresponde a las siglas en inglés de «materia oscura fría» y Λ (lambda) es la letra griega usada habitualmente para denotar la constante cosmológica. Que la densidad de energía oscura haya sido siempre la misma es justamente la hipótesis que cuestiona el nuevo trabajo.

El estudio de Risaliti y Lusso se basa en un método propuesto hace tres años por los mismos autores para estimar la distancia a la que se encuentra un cuásar. Medir distancias de manera directa constituye un problema notoriamente difícil en cosmología. La razón es simple: al ver un punto de luz en el cielo, en principio no podemos saber si se trata de un objeto muy luminoso y distante o de uno mucho más tenue y cercano, ya que solo conocemos su brillo aparente; es decir, la cantidad de luz que llega a la Tierra. Para calcular su distancia a partir de esa información, es necesario conocer su luminosidad intrínseca, algo que solo es posible para algunos astros muy concretos.

Eso es precisamente lo que permiten las supernovas de tipo Ia: una clase de explosiones estelares que, debido a la manera en que se producen, prácticamente emiten siempre la misma cantidad de energía. De hecho, fue el estudio de estas supernovas lo que, hace un par de décadas, permitió a los astrónomos medir la expansión pasada del universo y descubrir que, contra todo pronóstico, esta comenzó a acelerarse hace unos 5000 millones de años (en lugar de frenarse, como debería ocurrir debido a la atracción gravitatoria en un universo que solo contuviese materia).

Faros cósmicos

El trabajo de Risaliti y Russo se basa en una relación empírica conocida desde los años setenta entre el brillo en rayos X de un cuásar y su brillo en radiación ultravioleta. En 2015, los autores lograron vincular dicha relación empírica a la luminosidad intrínseca del objeto. Ya entonces, avanzaron que eso proporcionaba un nuevo método para medir distancias cósmicas y, con ello, poner a prueba el modelo cosmológico estándar. Eso es lo que han hecho en el trabajo publicado ahora.

En él, los autores partieron de una muestra inicial de unos 7000 cuásares. A fin de restringirse a los datos más robustos y fiables disponibles, filtraron ese conjunto de datos hasta quedarse con los correspondientes a unos 1600 objetos. Varios de ellos eran tan lejanos que, debido a lo que ha tardado su luz en llegar hasta la Tierra, hoy se ven tal y como eran hace unos 12.000 millones de años. Como resultado, los investigadores han podido estudiar cómo se ha producido la expansión del cosmos desde que el universo apenas contaba unos 2000 millones de años hasta nuestros días.

Aunque para los últimos 9000 millones de años los resultados coinciden con los obtenidos a partir de supernovas y con las predicciones del modelo cosmológico estándar, para épocas anteriores comienzan a diferir de lo que cabría esperar si la densidad de energía oscura fuese constante en el tiempo y en el espacio. Aunque el trabajo no entra en excesivas consideraciones teóricas, los autores argumentan que los datos parecen ser mucho más compatibles con una densidad de energía oscura creciente en el tiempo.

Ahora los resultados deberán ser replicados por estudios independientes. «Aún hay que confirmar con otros grupos que los cuásares puedan estandarizarse», explica García-Bellido. «Igual que con las supernovas de tipo Ia, pasarán unos años hasta que la comunidad acepte esto como un método fiable para medir distancias.» A pesar de todo, el investigador califica el nuevo método de «bastante prometedor».

Por último, los autores señalan que una densidad de energía oscura creciente en el tiempo podría resolver un rompecabezas que mantiene ocupados desde hace unos años a muchos cosmólogos: las pequeñas pero persistentes diferencias (también con una significancia estadística de casi 4 sigmas) en el valor de la constante de Hubble obtenido por los estudios de supernovas y otros trabajos, y el calculado a partir del fondo cósmico de microondas. Según mencionan los investigadores en su artículo, el análisis de estas y otras implicaciones cosmológicas del resultado se presentará en futuras publicaciones.

Ernesto Lozano Tellechea

Referencia: «Cosmological constraints from the Hubble diagram of quasars at high redshifts». Guido Risaliti y Elisabeta Lusso en Nature Astronomy, 28 de enero de 2019.

Más información en la página web del telescopio XMM-Newton (ESA) y del observatorio Chandra (NASA).

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