La expansión acelerada del Universo y el Premio Nobel de Física de 2011

Gastón E. Giribet. Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires y CONICET.

La expansión del Universo y la Relatividad

Una de las predicciones más sorprendentes de la Teoría de la Relatividad, y que al comienzo fue recibida con sorpresa por el mismo Einstein, es que si uno asume que el Universo es homogéneo (que en todas partes es similar) e isótropo (que en todas direcciones es similar) entonces indefectiblemente éste puede expandirse o contraerse con el tiempo, pero nunca permanecer estático.

Este aspecto dinámico del Universo es inexorable, una conclusión ineluctable de las ecuaciones de Einstein. Muchos físicos advirtieron tempranamente sobre esta implicancia de la Teoría de la Relatividad General; el mismo Albert Einstein recibió el resultado con reluctancia al comienzo y muchos otros como Erwin Schrödinger intentaron conciliar la idea de un universo estático con la teoría. Incluso, Einstein creyó por un momento haber logrado detener el Universo en sus cuadernos de notas. Para lograrlo había el creador de la Relatividad deformado su propia teoría introduciendo un nuevo término en sus célebres ecuaciones, el cual parecía hacer el trabajo.

No obstante, rápidamente se advirtió que ese nuevo y extraño término, llamado "el término cosmológico", no era de suficiente provecho y que, aunque lograba detener el Universo ejerciendo una presión negativa para lograrlo, éste terminaba desestabilizándose ante el menor aleteo de un mosquito y continuaba así su expansión (o su contracción.) ¿Debían entonces Einstein y sus contemporáneos aceptar la idea de un universo en movimiento?, ¿o acaso el Universo se hallaba entonces en su inestable equilibrio gracias al término cosmológico que venía a corregir sus ecuaciones?

Otra posibilidad, a la que no muchos parecían subscribir, era abandonar la Relatividad General como el marco teórico para describir el Universo a gran escala. Afortunadamente no fue este último el camino que tomaron los físicos sino uno que, como sabemos hoy, resultaría más provechoso. Uno se ve tentado entonces a concluir que la creencia en la Relatividad prevaleció sobre la concepción cosmogónica estática, pero esta visión de los sucesos sería incompleta si no reconociéramos los méritos que las observaciones astronómicas tuvieron a la hora de confirmar el movimiento del cosmos.

La observación de la expansión cósmica.

Muchas preguntas permanecían abiertas en esos tiempos tempranos de la cosmología. Aunque la idea de nuestro Universo como un escenario dinámico se encontraba en consonancia con la revisión de la naturaleza que la revolución darwiniana ya había iniciado como línea de pensamiento -aunque en un contexto muy distinto-, seguía siendo una concepción difícil de digerir. Y aún aceptando el movimiento del cosmos quedaban preguntas básicas por responder tales como si el Universo se expandía o se contraía, o si en caso de que ocurriere lo primero se expandiría por siempre o sólo por un tiempo.

Hoy, a casi cien años de la formulación de la Relatividad General, nos es dado saber la respuesta a muchas de estas preguntas. Pero, antes de adentrarnos en lo que hoy sabemos del cosmos, volvamos a los años 10s y 20s del pasado: Einstein insistió durante un tiempo considerable en su idea de conciliar la Relatividad con una imagen estática del cosmos, y para eso había agregado aquel nuevo "término cosmológico" en sus ecuaciones deformando ligeramente la versión original de su propia teoría –en parte esto se debió a que el término cosmológico satisfacía otras propiedades matemáticas que él buscaba en su teoría-.

No obstante, la historia cambiaría radicalmente poco tiempo después. Tan sólo trece años después de la formulación de la Relatividad General, el astrónomo Edwin Hubble obtendría en 1929 la primera evidencia observacional de que, en efecto, el universo se movía y que éste lo hacía expandiéndose. Vale aclarar aquí que la Relatividad General predecía el movimiento del Universo, pero no decidía si ese movimiento era en expansión o en contracción ya que ello dependía, además, de conocer de la cantidad de materia total que hay en el cosmos.

Hubble observó que las estrellas distantes presentaban un tono más rojizo que el que se esperaba de ellas, y que ese tinte inesperado de la luz que nos enviaban podía entenderse como signo de que dichas estrellas estaban alejándose de la Tierra, alejándose más rápidamente aquellas estrellas que más lejos se encontraban de nosotros. Era ésa evidencia substancial de la expansión del Universo.

Además, las observaciones efectuadas por Hubble indicaban que la expansión cósmica se daba en todas direcciones de la misma manera y a la misma velocidad, una observación que inmediatamente invita a aclarar que esa isotropía no se debe a que seamos nosotros el centro del universo, como algún rezagado partícipe de la visión eclesiástica podría aventurar, sino a que el Universo parece satisfacer aquellas hipótesis que Einstein había sugerido desde el comienzo: El universo es en todas partes y en todas direcciones similar, homogéneo e isótropo. Así, todo punto del cosmos es su centro y todo punto se separa de los otros de igual manera.

El mismo Einstein tuvo acceso a las observaciones de Hubble y encontró la evidencia contundente. Las estrellas se alejan de nosotros y lo hacen con más velocidad conforme más lejos de nosotros se hallan. Fue entonces cuando advirtió que su teoría de la Relatividad General iba más lejos que sus propias convicciones y preconceptos: La Relatividad había predicho la mismísima expansión del Universo antes de que ésta hubiera sido observada en el telescopio.

Einstein se sintió compelido a reconocer que la inclusión de su famoso "término cosmológico" en sus ecuaciones, el que entonces parecía ser ya innecesario, había sido "el desatino más grande de su vida". Sin ése la teoría explicaba la expansión cósmica, una predicción que habría merecido otro premio Nobel.

La aceleración y el premio Nobel

Ahora bien, aún asumiendo que el Universo se expandía, y aún teniendo evidencia observacional de ello, quedaba la pregunta abierta de si sería esa expansión eterna, o si, por el contrario, luego de una larga excursión cósmica, todas las estrellas revertirían sus carreras y recolapsarían.

La respuesta a esta pregunta tardó en llegar ya que, como mencionamos antes, saber el destino del Universo depende de conocer la cantidad de materia y energía que haya en él, un dato del que sólo en las dos últimas décadas hemos aprendido lo suficiente: Desde comienzos de la década de los 90s contamos con evidencia de que no parece haber suficiente materia en el Universo como para que éste recolapse. Mucho más sorprendente fue el descubrimiento, a fines de esa misma década, de que el Universo no sólo se expande sino que, además, lo hace cada vez más rápido, acelerándose.

Fue la observación de esto último lo que le valió a Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess el premio Nobel de física de este año. En 1997 y 1998 ellos, junto a otros coautores, publicaron las observaciones de supernovas tipo Ia lejanas (explosiones de estrellas muy distantes debidas típicamente a enanas blancas que ganan mucha masa y superan el llamado límite de Chandrasekar) que presentaban un alto vicio hacia el color rojo cuando se las observaba. Esto, combinado con su propiedad de emitir luz con una intensidad que permite ser calculada con precisión, permitió a Perlmutter et al. emplear ese tipo de supernovas como "candelas patrón" para establecer a qué velocidad se expande el Universo en un dado momento de la historia del mismo.

Fue así como se logró determinar que el Universo, hoy, se expande aceleradamente. Esta expansión acelerada del Universo es desconcertante en varios aspectos teóricos, y hubo quien señaló que entender dicha aceleración es "el problema más desconcertante de la física teórica actual". En particular, es difícil entender de una manera satisfactoria cómo es que el valor del término cosmológico es tan pequeño.

Los modelos más naturales desde el punto de vista estético-matemático, si es que tal criterio existe en verdad, sugieren que el término cosmológico debería no estar presente o, si lo estudviera, su valor debería ser muchísimos órdenes de magnitud superior al observado. No obstante, sin ánimo de entrar en los detalles técnicos del caso, alcanza con decir que la mejor descripción teórica con la que hoy contamos para explicar la expansión acelerada del Universo es, paradójicamente, aquella que Einstein había ensayado en 1917; es decir, deformar la Teoría de la Relatividad General como él mismo lo había sugerido, introduciendo su "término cosmológico" -aunque en una medida mucho menor a la originalmente propuesta para detener el cosmos-.

Es así como hoy asistimos al momento en el que la cosmología le da la derecha al genio alemán mostrando que incluso "el más grande desatino de su vida" fue en realidad un gracioso acierto. El término cosmológico de Einstein parece estar allí, cumpliendo el papel de acelerar la expansión.

El futuro del Universo

Surge entonces la pregunta sobre el futuro del universo: Si no recolapsará el cosmos sobre sí mismo, si éste seguirá expandiéndose por siempre, enfriándose, ¿qué será del futuro de éste?, ¿qué ocurrirá cuando las estrellas agoten el combustible nuclear que las hace brillar?, ¿qué ocurrirá cuando la coalescencia gravitatoria de las diferentes galaxias lleve a la materia estelar a apelmazarse?

Estas preguntas sobre el futuro del Universo ocupan también la mente de los cosmólogos, quienes ensayan respuestas que, aunque diversas, siempre contrastan con el pasado tumultuoso del Universo temprano y caliente. Algunas especulaciones sugieren que, en el futuro remoto, grandes agujeros negros serán creados tras la coalescencia de astros y galaxias, y que esos gigantes, oscuros y fríos terminarán radiando su masa al ritmo lento que Stephen Hawking predijo para tal fenómeno en la década de los 70s.

Otras especulaciones sobre el futuro del universo tienen en cuenta la expansión acelerada del mismo, y predicen que esta expansión terminaría por alejar unas regiones del universo de otras hasta que ya no sea posible enviar luz de un lado al otro, y que el universo iría así desconectándose causalmente, desapareciendo tras el escurridizo concepto de “horizonte cosmológico”.

Sea cual fuere el destino de nuestro Universo en el futuro remoto, hay algo en lo que los cosmólogos parecen estar de acuerdo: Muy probablemente será una muerte fría y solitaria.