El 17 de mayo de 2021, el ser humano se puso unas gafas tan potentes que le permitieron observar vestigios de algunas de las luces más antiguas del universo, emitidas aproximadamente 11.000 millones de años luz atrás en el tiempo —para dimensionar, el Big Bang ocurrió hace unos 13.800 millones de años—. Estas gafas se llaman Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés), ubicado en el estado de Arizona, en EE. UU., y sus observaciones recientes apuntan a que la energía oscura en el universo no es constante, como se ha creído por más de 25 años.
DESI es un poderoso espectógrafo —el más grande jamás construido— compuesto por 5.000 posicionadores robóticos de fibra óptica, varas hechas de pequeños hilos de vidrio o plástico que transmiten datos de luz. Cada veinte minutos un posicionador de estos registra el espectro de luz de una galaxia lejana. Como funcionan al tiempo, en una noche este aparato puede capturar la información de 100.000 galaxias. Sus observaciones, que irán hasta 2026, esperan mapear 40 millones de galaxias de nuestro universo, la cartografía cósmica más grande que el ser humano haya hecho hasta ahora.
“Con el equipo que teníamos antes de DESI, obtener esa cantidad de espectros nos hubiera tomado 100 años de trabajo”, dice Jaime Forero, doctor en Cosmología, profesor de la Universidad de los Andes y líder del equipo de colaboración de DESI en Colombia. El equipo que lidera se ha concentrado principalmente en producir código para el correcto funcionamiento de los posicionadores robóticos de DESI, así como en el análisis de los datos.
Básicamente, los datos que produce este súper telescopio son espectros de luz de las galaxias que observa. Es decir, la información de la luz que emiten las galaxias, descompuesta en sus diferentes longitudes de onda por colores —piense en un arcoíris, o en la portada del disco de Pink Floyd, The Dark Side of the Moon—. “Esta información no sólo me dice de qué está hecha la galaxia y qué temperatura tiene, sino también qué tan rápido se mueve”, explica Forero.
“Típicamente, lo que vemos es como si las galaxias se alejaran de nosotros y que entre más lejos están, más rápido se alejan”, continúa. “Pero es un efecto de perspectiva causada por la expansión misma del espacio”. Efectivamente, las observaciones muestran que las distancias entre las galaxias del universo aumentan, no porque las galaxias se muevan, sino porque, en palabras del profesor de los Andes, “el espacio mismo está aumentando entre ellas”.
Esto es lo que se conoce como la expansión del universo, que desde hace 25 años se sabe que es acelerada. O sea que el universo se expande cada vez más rápido, fenómeno que se ha explicado a partir de la energía oscura. Pero las observaciones de DESI indicarían que la aceleración de esta expansión no evoluciona como se creía, lo que cambiaría el paradigma cosmológico con el que hemos interpretado nuestro universo durante más de dos décadas.
El universo se expande y la clave es la energía oscura
La expansión del universo es uno de esos conceptos que desafían con fiereza el sentido común. Probablemente, la causa de que nos cueste imaginarnos que todo se está expandiendo es que en el colegio nos enseñaron que la fuerza reina en el universo es la gravedad, descrita por primera vez por Isaac Newton, alrededor de 1687, y postulada posteriormente por Albert Einstein entre 1915 y 1916 en su teoría general de la relatividad. En efecto, la gravedad es una fuerza de atracción entre los objetos con masa y, a gran escala, esta fuerza debería ‘amarrar’ las galaxias del universo entre sí, y mantenerlas en órbitas regulares.
“Einstein creía que el universo era una cosa dada, que no cambiaba de forma ni tamaño”, comenta Sergio Bravo Medina, doctor en Ciencias con énfasis en Física Teórica y profesor de la Pontificia Universidad Javeriana. “Sin embargo, el astrofísico Edwin Hubble demostró hace casi 100 años que el universo tiene una tasa de expansión”, recuerda. En la década de 1920, este astrónomo norteamericano estudió juiciosamente las distancias relativas y las velocidades de movimiento de varias galaxias vecinas a la Vía Láctea. De acuerdo a la teoría de Einstein, que presuponía un universo en equilibrio, la velocidad de desplazamiento de dos galaxias debía mantenerse constante de acuerdo a la distancia que hubiera entre ellas.
Pero Hubble observó que esto no era así, se dio cuenta de que, a medida que un par de galaxias observadas se alejaban de nosotros, la distancia entre ellas aumentaba, así como la velocidad de aumento de tal distanciamiento. Es decir, la distancia entre los grandes cuerpos estelares aumenta sin cesar, y entre más lejanas, más rápidamente crece esa distancia. Como si, efectivamente, todo se estuviera expandiendo. “Entre más lejos está algo, como una galaxia, más rápidamente parece alejarse de mí”, resume el profesor Forero.
Desde 1998 creemos saber, además, que el universo no sólo se está expandiendo, sino que lo hace de manera acelerada, es decir, que su velocidad de expansión es cada vez mayor. Los astrofísicos Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess observaron alrededor de 50 supernovas —explosiones de estrellas— esperando hallarlas a ciertas distancias, de acuerdo con lo estipulado por Hubble. Pero realmente estos objetos se hallaban mucho más lejos de lo esperado, lo que los llevó a la conclusión de que el universo, no solo se expande, sino que lo hace aceleradamente.
Entonces, la pregunta clave es: ¿por qué se expande el universo de manera acelerada? “Cuando uno dice expansión acelerada, uno piensa como que unas cosas se repelen de otras cada vez más rápido”, reflexiona Forero, “¿la causa es una especie de gravedad repulsiva? ¡No!, porque sabemos que la gravedad es atractiva”, dice. “Entonces debe existir una entidad que no sabemos qué es y que hace que el universo se expanda de manera acelerada. Se trata de la energía oscura”, concluye.
A pesar de todas las observaciones que muestran que el universo se expande aceleradamente, a nivel físico la teoría de la relatividad general de Einstein —y la fuerza de gravedad que esta postula— sigue siendo hoy la que mejor nos explica la dinámica del cosmos. Por eso, los astrofísicos y los cosmólogos decidieron postular la existencia de un tipo de energía que no es electromagnética —por lo tanto, es invisible y no podemos captarla con nuestros instrumentos— pero que empuja en dirección opuesta a la gravedad, produciendo la expansión. Esta es la energía oscura.
“Lo bonito es llamarla oscura”, expresa el profesor Bravo. “Es una descripción de algo que realmente no entendemos del todo”. Sin embargo, dice, “el universo está compuesto casi que en un 70% de energía oscura”.
Hasta ahora se ha pensado que la incidencia de la energía oscura ha sido constante en el universo, por lo que la expansión ha ocurrido con una historia de aceleración determinada. Pero los datos de los primeros tres años de observación de DESI —correspondientes a 15 millones de galaxias—, publicadas el pasado 19 de marzo, sugieren que esto no es así, que tal vez la expansión del universo tiene una historia de aceleración diferente a la que creíamos y que, en la historia del cosmos, la energía oscura no ha sido constante, sino, más bien, dinámica.
¿Cómo observa DESI una energía que no se ve?
Según la teoría del Big Bang, en un principio el universo era un fluido extremadamente denso y caliente. A medida que pasó el tiempo, todo se fue enfriando y se fueron formando los cuerpos celestes y las galaxias. Sin embargo, mientras el universo estuvo denso y caliente, hubo perturbaciones —vibraciones— iniciales en forma de ondas que, al enfriarse, quedaron petrificadas.
“Lo que hace DESI es rastrear la primera onda de sonido que se propagó por el universo y quedó fosilizada”, explica el profesor Forero. “Imagina que lanzas una piedra sobre un lago y que luego se congela”, sugiere. “Son esas bolitas o burbujas de sonido que quedaron petrificadas lo que se ve en los mapas que hacemos con DESI”, dice.
Estas bolas o burbujas son conocidas como Oscilación Acústica de Bariones (BAO, por sus siglas en inglés) y están compuestas por cientos de miles de galaxias del universo. Dependiendo de su tamaño, los científicos pueden deducir qué tan acelerada fue la expansión del universo en un momento determinado, y por ende qué tanto incidió la energía oscura en ese momento.
DESI puede dar cuenta de las burbujas BAO al medir la distancia y la velocidad de millones de galaxias, y aplicando sofisticados métodos estadísticos y de procesamiento de datos para observar la distribución de las galaxias en el universo —producto de las vibraciones iniciales—. Al observar sus tamaños es que los científicos han señalado que la aceleración de la expansión del universo podría no ser constante, y por ende tampoco la energía oscura. “La energía oscura evolucionaría”, cierra Forero.
Tiembla el paradigma cosmológico
Durante 25 años hemos pensado que la energía oscura es constante en el universo. De hecho, el modelo cosmológico actual —la fórmula matemática con la que explicamos la evolución del cosmos—, llamado ΛCDM, lambda-CDM o lambda-Cold Dark Matter (lambda-Materia Oscura Fría en español), postula la llamada constante cosmológica lambda (Λ, que representa la energía oscura), como factor de expansión constante del universo. Pero, con las observaciones de DESI, se podría concluir que, “esto que venimos llamando constante cosmológica, pues no es constante”, dice el profesor Bravo, lo que desafía el corazón del paradigma cosmológico.
Dadas estas y otras observaciones clave que apuntan en la misma dirección, Bravo, quien estudia cosmología teórica, investiga nuevos modelos cosmológicos distintos a ΛCDM. De hecho, en 2024 publicó un artículo en la revista Physica Scripta, junto a otros investigadores, explorando una especie de modelos cosmológicos alternativos, conocidos como f(R, Lm), los cuales no contemplan una constante cosmológica de energía oscura para explicar la dinámica del universo, “sino que ajustan levemente las ecuaciones de gravedad de Einstein para dar cuenta de esta dinámica”, explica.
Seguramente, las nuevas teorías que vengan luego de DESI serán aún más difíciles de entender que la teoría general de la relatividad, o que el modelo ΛCDM. Los misterios y enigmas abundan como nunca. Son los retos que los avances científicos y tecnológicos imponen al ser humano. En todo caso, Bravo opina que “estamos en un momento muy fértil de la investigación científica de la historia de nuestro cosmos”. Sobre todo, si pensamos en que esta historia también es la nuestra, la del ser humano que flota, consciente, en un océano cósmico y oscuro.
