El Premio Nobel de Física de 2011 fue otorgado el pasado día 4 de octubre (ver www.nobelprize.org) a Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo gracias a observaciones de supernovas lejanas. Es sin duda uno de los hallazgos más extraordinarios que nos ha ofrecido la cosmología desde el descubrimiento del fondo cósmico de radiación de microondas. Gracias a estas observaciones, ahora sabemos que el universo no sólo se expande sino que lo hace de forma acelerada, en contra de lo esperado si el universo estuviera compuesto por materia ordinaria.
Para poder comprender este resultado tan extraordinario, supongamos que lanzamos una pelota al aire desde la superficie de la Tierra. Típicamente subirá hasta una cierta altura, se parará, y volverá a caer al suelo. Si la velocidad inicial es suficientemente grande, la pelota podrá escapar de la atracción terrestre, alejándose a velocidades cada vez menores. Sin embargo, lo que han observado los investigadores que recibieron el Nobel este año es que el universo no se comporta de esta manera. En lugar de frenarse conforme se expande, el universo parece expandirse de forma acelerada. En la analogía de la pelota, es como si ésta, una vez escapara de la Tierra, se alejara con una velocidad cada vez mayor. Cláramente está actuando sobre el universo una fuerza desconocida, que tira de éste y supera la atracción gravitacional de toda la materia que contiene.
Pero antes de describir las observaciones, recapitulemos un poco lo que sabemos del universo hasta ahora. La expansión del universo fue descubierta en los años 20 del siglo pasado por Vesto Slipher, Knut Lundmark, Georges Lemaître y Edwin Hubble. El ritmo de expansión depende del contenido de energía, y un universo que contiene sólo materia termina frenándose gracias a la fuerza de la gravedad. Las observaciones de la recesión de las galaxias, así como de las abundancias de elementos ligeros, pero sobre todo del fondo de radiación de microondas, nos han permitido construir una imagen de un universo en expansión a partir de un origen extraordinariamente caliente y denso, que se va enfriando conforme se expande. Hasta hace una década se creía que esa expansión era cada vez más lenta y se especulaba sobre la posibilidad de que eventualmente el universo recolapsara. Sin embargo, las observaciones de la luz que nos llega de supernovas a distancias astronómicas, de hasta siete mil millones de años luz, hechas por dos colaboraciones independientes: el Supernovae Cosmology Project, liderado por Saul Perlmutter, y el High Redshift Supernova Project, de Brian Schmidt y Adam Riess , mostraron que actualmente el ritmo de expansión está acelerándose, en lugar de decelerarse.
Estas observaciones han sido posibles gracias a que las supernovas de tipo Ia (ver Fig.1) son explosiones extraordinariamente violentas que se ven a enormes distancias y afortunadamente siguen un patrón de luminosidad característico, llegando a su máximo pocos días después de la explosión y a partir de ahí lentamente decreciendo en luminosidad hasta que dejamos de verlas. La relación entre la máxima luminosidad y el periodo de decrecimiento se puede calibrar con supernovas cercanas, de manera que midiendo estos periodos para muchas supernovas podemos deducir su distancia a nosotros y de ahí el ritmo de expansión del universo desde el momento en que la supernova explotó, hace miles de millones de años. Las medidas de las supernovas lejanas muestran no sólo que el universo se está expandiendo aceleradamente hoy en día, sino que en el pasado lo hacía de forma decelerada, lo que concuerda con nuestras predicciones basadas en la teoría de Einstein.
En el contexto del modelo estándar cosmológico, la aceleración se cree que es causada por la energía del vacío a menudo llamada energía oscura , una componente que da cuenta de aproximadamente el 73% de toda la densidad de energía del universo. Del resto, cerca del 23% es debido a una forma desconocida de materia llamada materia oscura. Sólo alrededor del 4% de la densidad de energía corresponde a la materia ordinaria como los átomos de los que estamos constituidos, así como las estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, cuya luz nos permite adentrarnos en un universo fundamentalmente desconocido y oscuro.
En nuestra vida diaria, los efectos de la energía de vacío son diminutos, pero aún así detectables en pequeñas correcciones a los niveles de energía de los átomos. En teorías de campos relativistas, la energía del vacío está dada por una expresión matemáticamente idéntica y físicamente indistinguible de la famosa constante cosmológica de Einstein, de su teoría general de la relatividad. La cuestión hoy en día es saber si la densidad de energía de vacío es realmente invariante, como la constante cosmológica, o por el contrario varía con el tiempo, algo que tendría consecuencias importantísimas para el destino del universo, y que es un tema de investigación candente en cosmología, con varios experimentos propuestos para detectarlo.
En la fig.2 mostramos tres posibles evoluciones del universo, descritas allí por las flechas horizontales. La inferior (color marrón) corresponde a la evolución de un universo que se comportara como la pelota en la Tierra, alejándose de ésta hasta que se parara y volviera a caer recolapsara en el caso del universo. La intermedia (color naranja) corresponde al universo propuesto en 1917 por Einstein, de manera que la aceleración inducida por la constante cosmológica exactamente compensara la atracción gravitacional de la materia, dejando un universo estático con radio (3GM/Λ)^(1/3). Como puede verse de la figura, tal universo es inestable y una pequeña perturbación lo llevaría a colapsar o bien expandirse para siempre. Hoy en día medimos la curvatura espacial gracias a las anisotropías del fondo cósmico de microondas. Estas medidas sugieren que K=0 con bastante precisión, luego la evolución de nuestro universo es la correspondiente a la flecha superior (color violeta). Durante los primeros 7 mil millones de años el universo ha estado dominado por su contenido de materia, frenándose conforme se expandía, y hace aproximadamente 6.3 mil millones de años pasó a ser dominado por la energía de vacío posiblemente una constante cosmológica, como la que introdujo Einstein en 1917.
En estos momentos el universo se expande con una aceleración diez mil millonésimas de la aceleración de la gravedad en la superficie de la Tierra. No es de extrañar que tal aceleración pasara desapercibida para los cosmólogos durante casi un siglo de medidas astronómicas. Sin embargo, a este ritmo los cúmulos de galaxias lejanos empezarán a desaparecer de nuestra vista detrás de un horizonte (de sucesos). En un futuro lejano, dentro del órden de otros diez mil millones de años, sólo quedaran aquellas galaxias pertenecientes a nuestro grupo local, que se mantienen unidas por la atracción gravitacional. El resto estará esencialmente vacío, y el espacio interestelar terminará extraordinariamente frío, salvo que la energía de vacío que parece permear el espacio-tiempo como un moderno éter no sea estable y se desintegre, como ocurrió con el otro periodo de expansión acelerada que sufrió el universo primitivo la inflación cosmológica , que dió origen a la gran explosión junto con la materia y energía que observamos a nuestro alrededor.
Por tanto, determinar la naturaleza de la energía oscura constituye uno de los objetivos prioritarios de la cosmología moderna. Es de esperar que esta búsqueda nos abra las puertas de una comprensión fundamental sobre la naturaleza del espacio-tiempo y del vacío de las teorías cuánticas de campos relativistas, que nos permita construir una teoría consistente de gravedad cuántica. Es posible que en el futuro seamos conscientes de que las observaciones que han sido galardonadas con el Premio Nobel de Física de este año estaban realmente detrás de unas de las grandes revoluciones de la Física.
Figura 1. La imagen del Hubble Space Telescope muestra en su parte inferior la supernova SN1994D, que luce casi tanto como la galaxia NGC4526 a la que pertenece. Esta galaxia está a unos 60 millones de años luz de distancia de la Tierra, en el cúmulo de Virgo. Son supernovas como ésta las que han permitido a los astronómos descubrir la expansión acelerada del universo.
Figura 2. La teoría de la relatividad general predice que el universo se expande siguiendo una ley de evolución similar a la newtoniana, donde el radio del universo (el factor de escala a está normalizado a uno hoy en día) hace las veces de coordenada radial y la masa del universo viene dada por M=(4π/3)ρa^3. En ese caso, la ley de conservación de la energía predice: E = T + V = dot(a)^2/2 GM/a Λ a^2/6 = K/2, siendo K la constante que determina la curvatura espacial, i.e. si un universo es abierto (K<0), cerrado (K>0) o plano (K=0). Dependiendo del valor de K, tendremos distintas evoluciones.
Bulan 