Durante los últimos años, una serie de controversias han sacudido el campo bien establecido de cosmologíaEn pocas palabras, las predicciones del modelo estándar del universo parecen estar en desacuerdo con algunas observaciones recientes.
Existen acalorados debates sobre si estas observaciones están sesgadas o si el modelo cosmológico, que predice la estructura y evolución de todo el universo, necesita un replanteamiento. Algunos incluso afirman que La cosmología está en crisisEn este momento no sabemos qué lado ganará, pero lo más emocionante es que estamos a punto de descubrirlo.
Para ser justos, las controversias son simplemente el curso normal del método científico. Y a lo largo de muchos años, el modelo cosmológico estándar ha tenido su cuota de ellas. Este modelo sugiere que el universo está compuesto en un 68,3% de «energía oscura» (una sustancia desconocida que provoca que la expansión del universo se acelere), 26,8% materia oscura (una forma desconocida de materia) y 4,9% de átomos ordinarios, medidos con mucha precisión a partir de la Fondo cósmico de microondas — el resplandor de la radiación del Big Bang.
Lo explica con mucho éxito. Multitudes de datos Tanto en escalas grandes como pequeñas del universo. Por ejemplo, puede explicar aspectos como la distribución de las galaxias que nos rodean y la cantidad de helio y deuterio que se produjo en los primeros minutos del universo. Y, quizás lo más importante, también puede explicar perfectamente el fondo cósmico de microondas.
Esto le ha valido la reputación de «modelo de concordancia», pero una tormenta perfecta de mediciones inconsistentes (o «tensiones», como se las conoce en cosmología) están poniendo en tela de juicio la validez de este modelo de larga data.
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Tensiones incómodas
El modelo estándar hace suposiciones particulares sobre la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura. Pero a pesar de décadas de intensa observación, todavía no parecemos estar más cerca de descubrir de qué están hechas la materia oscura y la energía oscura.
La prueba de fuego es la llamada Tensión del HubbleEsto se relaciona con la constante de Hubble, que es la tasa de expansión del universo en el momento actual. Cuando se mide en nuestro universo local cercano, a partir de la distancia a las estrellas pulsantes en galaxias cercanas, llamadas Cefeidas, su valor es de 73 km/s/Mega pársec (Mpc es una unidad de medida para distancias en el espacio intergaláctico). Sin embargo, cuando se predice teóricamente, el valor es de 67,4 km/s/Mpc. La diferencia puede no ser grande (solo el 8%), pero es estadísticamente significativa.
La tensión de Hubble se conoció hace aproximadamente una década. En aquel entonces, se pensaba que las observaciones Puede haber sido parcialPor ejemplo, las Cefeidas, aunque muy brillantes y fáciles de ver, estaban amontonadas con otras estrellas, lo que podría haberlas hecho parecer aún más brillantes. Esto podría haber hecho que la constante de Hubble fuera un pequeño porcentaje más alta en comparación con la predicción del modelo, creando así una tensión artificial.
Con la llegada de la Telescopio espacial James Webb (JWST), que puede separar las estrellas individualmente, se esperaba que tuviéramos una respuesta a esta tensión.
Lamentablemente, esto aún no ha sucedido. Los astrónomos ahora utilizan otros dos tipos de estrellas además de las Cefeidas (conocidas como estrellas de la Punta de la Rama Gigante Roja (TRGB) y estrellas de la Rama Gigante Asintótica de la Región J (JAGB)). Pero mientras que un grupo ha informado valores de las estrellas JAGB y TRGB que son tentadoramente cerca al valor esperado del modelo cosmológico, otro grupo ha afirmado que Todavía estamos viendo inconsistencias en sus observaciones. Mientras tanto, las mediciones de las Cefeidas siguen mostrando una tensión de Hubble.
Es importante señalar que, aunque estas mediciones son muy precisas, pueden estar sesgadas por algunos efectos asociados exclusivamente a cada tipo de medición. Esto afectará la precisión de las observaciones, de forma diferente para cada tipo de estrella. Una medición precisa pero inexacta es como intentar mantener una conversación con una persona que siempre se equivoca. Para resolver los desacuerdos entre datos contradictorios, necesitamos mediciones que sean a la vez preciso y exacto.
La buena noticia es que la tensión de Hubble es ahora una historia que se está desarrollando rápidamente. Tal vez tengamos la respuesta dentro del próximo año o así. Mejorar la precisión de los datos, por ejemplo incluyendo estrellas de galaxias más lejanas, ayudará a resolver esto. De manera similar, las mediciones de ondulaciones en el espacio-tiempo conocidas como ondas gravitacionales También nos podrá ayudar Fijar la constante.
Todo esto puede justificar el modelo estándar, o puede indicar que falta algo en él. Tal vez la naturaleza de la materia oscura o la forma en que se comporta la gravedad en escalas específicas sea diferente a lo que creemos ahora. Pero antes de descartar el modelo, hay que maravillarse de su precisión sin igual. Sólo se equivoca en un pequeño porcentaje, a lo sumo, al extrapolar 13 mil millones de años de evolución.
Para ponerlo en perspectiva, incluso los movimientos mecánicos de los planetas del Sistema Solar sólo pueden calcularse de manera fiable. por menos de mil millones de añosdespués de lo cual se vuelven impredecibles. El modelo cosmológico estándar es una máquina extraordinaria.
La tensión de Hubble no es el único problema para la cosmología. Otro, conocido como la «tensión S8», También está causando problemasaunque no en la misma escala. Aquí el modelo tiene un problema de suavidad, al predecir que la materia en el universo debería estar más agrupada de lo que realmente observamos, en un 10% aproximadamente. Hay varias formas de medir la «agrupación» de la materia, por ejemplo, analizando las distorsiones en la luz de las galaxias, producidas por la supuesta materia oscura que interviene a lo largo de la línea de visión.
En la actualidad, parece haber un consenso en la comunidad en el sentido de que es necesario despejar las incertidumbres de las observaciones antes de descartar el modelo cosmológico. Una forma posible de aliviar esta tensión es comprender mejor el papel de los vientos gaseosos en las galaxias, que pueden expulsar parte de la materia y hacerla más lisa.
Sería de ayuda comprender cómo se relacionan las mediciones de aglomeración en escalas pequeñas con las de escalas mayores. Las observaciones también podrían sugerir que es necesario cambiar la forma en que modelamos la materia oscura. Por ejemplo, si en lugar de estar compuesta completamente de partículas frías y de movimiento lento, como supone el modelo estándar, la materia oscura pudiera estar mezclada con algunas partículas, Partículas calientes que se mueven rápidamenteEsto podría ralentizar el crecimiento de los grumos en tiempos cósmicos tardíos, lo que aliviaría la tensión del S8.
El JWST ha destacado otros desafíos para el modelo estándar. Uno de ellos es que las galaxias tempranas Parecen ser mucho más masivos de lo esperadoAlgunas galaxias pueden pesar tanto como la vía Láctea Hoy en día, a pesar de que se formaron menos de mil millones de años después de la Gran Explosiónlo que sugiere que deberían ser menos masivos.
Sin embargo, las implicaciones contra el modelo cosmológico son menos claras en este caso, ya que puede haber otras explicaciones posibles para estos sorprendentes resultados. La clave para resolver este problema es mejorar la medición de las masas estelares en las galaxias. En lugar de medirlas directamente, lo que no es posible, inferimos estas masas a partir de la luz emitida por las galaxias.
Este paso implica algunas suposiciones simplificadoras, que podrían traducirse en una sobreestimación de la masa. Recientemente, También se ha argumentado que parte de la luz atribuida a las estrellas en estas galaxias es generada por potentes agujeros negrosEsto implicaría que estas galaxias podrían no ser tan masivas después de todo.
Teorías alternativas
¿En qué situación nos encontramos ahora? Si bien algunas tensiones podrán explicarse pronto mediante más y mejores observaciones, aún no está claro si habrá una solución para todos los desafíos que aquejan al modelo cosmológico.
Sin embargo, no han faltado ideas teóricas sobre cómo arreglar el modelo; quizá demasiadas. En el rango de unos pocos cientos y contandoÉsta es una tarea desconcertante para cualquier teórico que desee explorarlos todos.
Las posibilidades son muchas. Tal vez debamos cambiar nuestras suposiciones sobre la naturaleza de la energía oscura. Tal vez sea un parámetro que varía con el tiempocomo han sugerido algunas mediciones recientes. O tal vez necesitemos añadir más energía oscura al modelo para impulsar la expansión del universo en épocas tempranas o, por el contrario, en épocas tardías. Modificar cómo La gravedad se comporta en grandes escalas del universo. (de manera diferente a como se hace en los modelos llamados Dinámica Newtoniana Modificada o MOND) también puede ser una opción.
Sin embargo, hasta ahora ninguna de estas alternativas puede explicar la amplia gama de observaciones que el modelo estándar puede realizar. Y lo que es más preocupante, algunas de ellas pueden ayudar con una tensión pero empeorar otras.
Ahora la puerta está abierta a todo tipo de ideas que desafíen incluso los principios más básicos de la cosmología. Por ejemplo, tal vez debamos abandonar la suposición de que el universo es «homogéneo e isótropo» en escalas muy grandeslo que significa que se ve igual en todas las direcciones para todos los observadores y sugiere que no hay puntos especiales en el universo. Otros proponen Cambios en la teoría de la relatividad general.
Algunos incluso imaginan un universo embaucador, que participa con nosotros en el acto de observacióno que cambia de apariencia dependiendo de si lo miramos o no, algo que sabemos que sucede en el mundo cuántico de los átomos y las partículas.
Con el tiempo, muchas de estas ideas probablemente quedarán relegadas al gabinete de curiosidades de los teóricos, pero mientras tanto ofrecen un terreno fértil para poner a prueba la «nueva física».
Esto es algo bueno. La respuesta a estas tensiones vendrá sin duda de más datos. En los próximos años, una poderosa combinación de observaciones de experimentos como el JWST, el Instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI)el Observatorio Vera Rubin y Euclidesentre muchos otros, nos ayudarán a encontrar las respuestas largamente buscadas.
Punto de inflexión
Por un lado, datos más precisos y una mejor comprensión de las incertidumbres sistemáticas de las mediciones podrían devolvernos a la tranquilidad del modelo estándar. De sus problemas pasados, el modelo puede emerger no sólo reivindicado, sino también fortalecido, y la cosmología será una ciencia a la vez precisa y exacta.
Pero si la balanza se inclina en sentido contrario, nos adentraremos en un territorio inexplorado, donde habrá que descubrir nueva física. Esto podría conducir a un importante cambio de paradigma en la cosmología, similar al descubrimiento de la expansión acelerada del universo a finales de los años 1990. Pero en este camino tal vez tengamos que afrontar, de una vez por todas, la naturaleza de la energía oscura y la materia oscura, dos de los grandes misterios sin resolver del universo.
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