El regreso del 'error' de Einstein que transformó la cosmología moderna

Hace más de un siglo, Albert Einstein centró su atención en el destino del universo. En 1917, poco después de desarrollar su teoría general de la relatividad, comenzó a aplicar sus nuevas ecuaciones a la cosmología. Esta teoría había revolucionado nuestra comprensión de la gravedad, lo que llevó a Einstein a preguntarse qué decían esas mismas ecuaciones sobre el universo en la mayor escala posible.

La gravedad fue el punto de partida natural. En promedio, el universo es eléctricamente neutro, lo que significa que el electromagnetismo no domina su comportamiento a gran escala. Einstein desconocía las fuerzas nucleares fuertes y débiles, pero esas interacciones solo operan a distancias muy cortas.

Un universo dinámico inesperado

En cosmología, la gravedad determina cómo se comporta la materia a través de enormes distancias. Si uno imagina una colección de materia que representa "un universo", las ecuaciones de Einstein pueden indicar cómo esa colección debería evolucionar.

Lo que Einstein encontró lo sorprendió. La relatividad general no describía naturalmente un universo que permaneciera inalterado para siempre. En cambio, las ecuaciones apuntaban hacia un cosmos dinámico que se expandiría o se contraería. Esta conclusión contradijo la visión predominante de la época, que sostenía que el universo era estático y había permanecido esencialmente igual a lo largo de la historia cósmica.

Para resolver esta discrepancia, Einstein añadió una "constante cosmológica" a sus ecuaciones, representada por la letra griega Lambda. En términos simples, actúa como una influencia gravitacional incorporada al propio espacio-tiempo, que puede existir incluso en el espacio vacío. Dependiendo de su valor, ese efecto puede producir atracción o repulsión. Einstein eligió un valor que contrarrestaba la atracción gravitacional de la materia, permitiendo que el universo permaneciera estable.

Sin embargo, esa solución no duró mucho.

Un universo en expansión cambia todo

Pocos años después, Edwin Hubble descubriría que el universo estaba en expansión. Mientras tanto, teóricos como el cosmólogo ruso Alexander Friedmann tomaron las ecuaciones de Einstein más literalmente y desarrollaron la base teórica que ayudaría a respaldar la teoría del Big Bang.

Eventualmente, Einstein abandonó la constante cosmológica, y más tarde diría a sus amigos que introducirla había sido su "mayor error".

Pero vino otra gran sorpresa.

Avanzando hasta 1998, dos equipos de astrónomos intentaron resolver una larga disputa sobre cuánta materia contenía el universo. Las observaciones habían producido estimaciones muy diferentes, algunas sugiriendo que había relativamente poca materia y otras indicando mucho más.

Los astrónomos ya sabían que el universo se expandía. Sin embargo, como la materia produce gravedad, esa materia debería haber estado desacelerando gradualmente la expansión. Al medir cuán fuerte se desaceleraba la expansión, los investigadores esperaban determinar cuánta materia había realmente.

En cambio, descubrieron lo opuesto.

El universo se estaba acelerando

La expansión del universo no solo no se estaba desacelerando, sino que estaba acelerando. Las observaciones aún indicaron que el universo contenía relativamente poca materia, pero incluso esa materia no era suficiente para explicar lo que los astrónomos estaban observando. Algo parecía estar empujando la expansión cósmica a proceder más rápido con el tiempo.

La explicación más simple fue una familiar: la constante cosmológica de Einstein. Un efecto de fondo constante que produce repulsión cósmica podría explicar la aceleración observada. Décadas después de que Einstein había descartado la idea, su supuesto error regresó como la principal explicación para los nuevos datos.

La energía oscura redefine la cosmología moderna

Durante las décadas de 1980 y 1990, los cosmólogos desarrollaron un marco cada vez más sofisticado conocido como el Modelo Estándar de Cosmología. Sin embargo, el descubrimiento de que la expansión cósmica se estaba acelerando significó que ese modelo ya no podía mantenerse en su forma existente.

Su reemplazo se convirtió en nuestra mejor descripción actual de cómo ha evolucionado el universo desde el Big Bang: la cosmología LCDM. La Lambda se refiere a la constante cosmológica, también conocida como energía oscura. CDM representa materia oscura fría, el tipo de materia que se cree que constituye la mayor parte de la masa en casi cada galaxia. La materia oscura fría es una historia por sí sola; aquí, el enfoque está en Lambda.

Un modelo notablemente exitoso con un problema

El modelo LCDM ha sido extraordinariamente exitoso. También es sorprendentemente simple, confiando solo en un puñado de parámetros ajustables y un pequeño número de supuestos dentro del marco de la relatividad general.

A pesar de esa simplicidad, el modelo puede dar cuenta de una enorme variedad de observaciones. Describe la historia de expansión del universo, la aparición de radiación de fondo, la característica BAO, el crecimiento de galaxias, el desarrollo de la estructura cósmica a gran escala y mucho más.

El modelo LCDM se ha convertido en una de las teorías más estudiadas y probadas en toda la ciencia.

Y, sin embargo, es casi seguro que está equivocado.