Nuevas evidencias sugieren que la constante cósmica de Einstein podría estar equivocada

La energía oscura, la misteriosa fuerza que se cree impulsa la expansión acelerada del universo, ha sido durante años uno de los mayores enigmas de la física moderna. La explicación predominante ha sido que esta energía es constante, una propiedad inmutable del espacio vacío responsable de la aceleración cósmica. Sin embargo, recientes hallazgos han llevado a los científicos a replantear esta suposición.

El año pasado, resultados del Dark Energy Survey (DES) y del Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) captaron la atención de los cosmólogos al sugerir que la energía oscura podría no ser fija. "Esto sería nuestra primera indicación de que la energía oscura no es la constante cosmológica introducida por Einstein hace más de 100 años, sino un nuevo fenómeno dinámico", explicó Josh Frieman, profesor emérito de Astronomía y Astrofísica.

Nueva análisis apunta a una fuerza en evolución

En un estudio publicado en Physical Review D en septiembre, Frieman y Anowar Shajib, un becario del programa de la NASA en Astronomía y Astrofísica, analizaron una amplia gama de datos cosmológicos existentes. Sus hallazgos indican que los modelos dinámicos y variables en el tiempo de la energía oscura se ajustan mejor a las observaciones actuales que el modelo de constante cosmológica tradicional.

Shajib se especializa en cosmología observacional y evolución de galaxias, aplicando lentes gravitacionales para medir la constante de Hubble y acotar los parámetros de la energía oscura. El trabajo de Frieman también se centra en la cosmología observacional, utilizando grandes encuestas celestes como el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y el DES para estudiar el origen, la estructura y el destino del universo, al tiempo que investiga la fuerza misteriosa que impulsa su expansión acelerada.

La Universidad de Chicago conversó con Shajib y Frieman sobre sus hallazgos, lo que estos nuevos modelos podrían significar para nuestra comprensión de la evolución cósmica y cómo futuras observaciones podrían revelar si la energía oscura realmente cambia con el tiempo.

¿Por qué es significativa la energía oscura en el estudio del universo?

Frieman: Ahora sabemos con precisión cuánta energía oscura hay en el universo, pero no tenemos una comprensión física de qué es. La hipótesis más simple es que es la energía del espacio vacío en sí, en cuyo caso no cambiaría con el tiempo, una noción que se remonta a Einstein, Lemaître, de Sitter y otros a principios del siglo pasado. Es un poco embarazoso que tengamos poca o ninguna idea de qué es el 70 por ciento del universo. Y lo que sea, determinará la evolución futura del universo.

¿Qué hallazgos recientes llevaron a los cosmólogos a considerar que la energía oscura podría estar evolucionando?

Shajib: Aunque ha habido interés en la naturaleza dinámica de la energía oscura desde su descubrimiento en los años 90 para resolver algunas discrepancias observacionales, hasta hace poco, la mayoría de los conjuntos de datos robustos eran consistentes con un modelo de energía oscura no evolutiva, que se acepta como la cosmología estándar. Sin embargo, el interés en la energía oscura en evolución se reavivó el año pasado a partir de la combinación de datos de supernovas, oscilaciones acústicas de bariones y el fondo cósmico de microondas de los experimentos DES, DESI y Planck. Esta combinación de conjuntos de datos indicó una fuerte discrepancia con el modelo estándar de energía oscura no evolutiva. La característica interesante de la energía oscura no evolutiva es que su densidad permanece constante a lo largo del tiempo, incluso cuando el espacio se expande. Sin embargo, para el modelo de energía oscura en evolución, la densidad de la energía oscura cambiará con el tiempo.

Frieman: Los datos de estas encuestas nos permiten inferir la historia de la expansión cósmica: cuán rápido ha estado expandiéndose el universo en diferentes épocas del pasado. Si la energía oscura evoluciona con el tiempo, esa historia será diferente a si la energía oscura es constante. Los resultados de la historia de la expansión cósmica sugieren que en los últimos varios miles de millones de años, la densidad de la energía oscura ha disminuido aproximadamente un 10 por ciento, no mucho, y mucho menos que las densidades de otra materia y energía, pero aún así significativo.

¿Cuál fue el objetivo de este estudio y cuáles fueron los hallazgos generales?

Shajib y Frieman: El objetivo de este estudio es comparar las predicciones de un modelo físico para la energía oscura en evolución con los últimos conjuntos de datos y deducir las propiedades físicas de la energía oscura a partir de esta comparación. El "modelo" de energía oscura en evolución utilizado en la mayoría de los análisis de datos anteriores es solo una fórmula matemática que no está restringida a comportarse como lo hacen los modelos físicos. En nuestro artículo, comparamos directamente modelos basados en la física para la energía oscura en evolución con los datos y encontramos que estos modelos describen mejor los datos actuales que el modelo estándar de energía oscura no evolutiva. También mostramos que encuestas futuras como DESI y el Vera Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) podrán decirnos de manera definitiva si estos modelos son correctos o si, en cambio, la energía oscura realmente es constante.

Describe los modelos presentados y por qué explican mejor el comportamiento de la energía oscura en comparación con los modelos existentes.

Frieman: Estos modelos se basan en teorías de física de partículas de partículas hipotéticas llamadas axiones. Los axiones fueron predichos por primera vez por físicos en la década de 1970, que buscaron explicar ciertas características observadas de las interacciones fuertes. Hoy en día, los axiones son considerados candidatos plausibles para la materia oscura, y experimentos en todo el mundo están buscándolos activamente, incluidos los físicos en Fermilab y la Universidad de Chicago.

Los modelos en nuestro artículo se basan en una versión ultra-ligera del axión que actuaría como energía oscura, no como materia oscura. En estos modelos, la energía oscura sería, de hecho, constante durante los primeros varios miles de millones de años de la historia cósmica, pero luego el axión comenzaría a evolucionar, como una bola en un campo inclinado que se libera de su reposo y comienza a rodar, y su densidad disminuiría lentamente, que es lo que los datos parecen preferir. Así que los datos sugieren la existencia de una nueva partícula en la naturaleza que es aproximadamente 38 órdenes de magnitud más ligera que el electrón.

¿Cuáles son las implicaciones de estos hallazgos para entender la expansión cósmica?

Shajib: En estos modelos, la densidad de energía oscura disminuye con el tiempo. La energía oscura es la razón de la expansión acelerada del universo, por lo que si su densidad disminuye, la aceleración también disminuirá con el tiempo. Si consideramos el futuro muy lejano del universo, diferentes características de la energía oscura pueden llevar a diferentes resultados. Dos extremos de estos resultados son un Big Rip, donde la expansión acelerada se acelera hasta el punto de desgarrar todo, incluso átomos, y un Big Crunch, donde el universo deja de expandirse en algún momento y recae, lo que se parecería a un Big Bang inverso. Nuestros modelos sugieren que el universo evitará ambos extremos: experimentará una expansión acelerada durante muchos miles de millones de años, dando lugar a un universo frío y oscuro, un Big Freeze.

¿Podrían estos resultados tener otras implicaciones menos evidentes?

Frieman: Las únicas implicaciones prácticas que puedo imaginar son las tecnologías que necesitamos desarrollar para explorar estas ideas más a fondo: construir nuevos telescopios, lanzar nuevos satélites o desarrollar detectores novedosos, por ejemplo. Tales desarrollos probablemente tendrán un impacto mucho mayor en nuestras vidas que los eventos que ocurren dentro de trillones de años.

¿Qué es lo que más te emociona de estos resultados?

Shajib: Para este artículo, reunimos todos los principales conjuntos de datos, desde el DES, DESI, SDSS, Time-Delay COSMOgraphy, Planck y el Telescopio de Cosmología de Atacama, y los combinamos para obtener la medición más restrictiva de la energía oscura hasta la fecha. Todas estas mediciones provienen de experimentos extensos, por lo que, de alguna manera, representan el conocimiento colectivo que la comunidad cosmológica ha reunido en su conjunto.

Frieman: Cuando comenzamos a trabajar en el DES en 2003, nuestro objetivo era restringir las propiedades de la energía oscura para determinar si era constante o cambiante. Durante dos décadas, los datos indicaron que era constante. Casi nos rendimos con esa pregunta porque los datos apoyaban consistentemente la suposición. Sin embargo, ahora tenemos la primera pista en más de 20 años de que la energía oscura podría estar cambiando, y si está evolucionando, debe ser algo nuevo, lo que cambiaría nuestra comprensión de la física fundamental. Esa sensación es similar a donde estábamos al principio. Aún podría resultar que estas pistas son incorrectas, pero podríamos estar al borde de responder esa pregunta, y eso es bastante emocionante.