miércoles, 13 de abril de 2016

Nuevas medidas apuntan a un problema con la energía oscura #Ciencia Kanija 2.0 #noticias


Artículo publicado por Clara Moskowitz el 11 de abril de 2016 en Scientific American

Una nueva medida de lo rápidamente que se expande el universo no concuerda con las estimaciones basadas en los inicios del universo, apuntando potencialmente hacia una ruptura con el modelo estándar de la física.

Nuestro universo se separa, la galaxias se alejan unas de otras cada vez más rápidamente. Los científicos han conocido esta aceleración desde finales de la década de 1990, pero sea lo que sea lo que la esté provocando — algo conocido como energía oscura — sigue siendo un misterio. Ahora, las últimas medidas de lo rápidamente que crece el cosmos complican aún más el guión: el universo parece estar hinchándose más rápidamente de lo que debería, incluso tras tener en cuenta la expansión acelerada provocada por la energía oscura.

Energía oscura

Energía oscura

Los científicos llegaron a esta conclusión tras comparar las nuevas medidas de la velocidad de expansión cósmica, conocida como constante de Hubble, con las predicciones del valor de la constante de Hubble basándonos en las pruebas recopiladas a partir de los inicios del universo. El desconcertante conflicto — observado en datos previos y confirmados con los nuevos cálculos — implica que una de las dos medidas es incorrecta, o que la energía oscura, u otro aspecto de la naturaleza, actúa de forma diferente a lo que pensamos.

"La clave es que el universo parece que se expande un 8% más rápidamente de lo que se esperaría en base al aspecto que tenía en sus inicios, y a cómo esperamos que evolucione", dice el autor principal del estudio Adam Riess, del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland. "Tenemos que tomarnos esto muy en serio". Él y sus colegas describen sus hallazgos, basados en observaciones procedentes del Telescopio Espacial Hubble, en un artículo enviado la semana pasada a la revista Astrophysical Journal y publicado en el servidor de arXiv.

Un giro inesperado en la energía oscura

Una de las posibilidades más apasionantes es que la energía oscura sea aún más extraña de lo que sugiere la teoría predominante. La mayor parte de las observaciones apoyan la idea de que la energía oscura se comporta como una "constante cosmológica", un término insertado por Albert Einstein en sus ecuaciones de la relatividad general, y que posteriormente eliminó. Este tipo de energía oscura surgiría a partir del espacio vacío, el cual, de acuerdo con la mecánica cuántica, no está vacío en absoluto, sino que está lleno de pares de partículas y antipartículas "virtuales" que aparecen y desaparecen constantemente. Estas partículas virtuales portarían energía la cual, a su vez, ejercería un tipo de gravedad negativa que empuja a todo el universo a separarse.

Sin embargo, la discrepancia en la constante de Hubble sugiere que la energía oscura podría realmente cambiar a través del espacio y el tiempo, provocando potencialmente una aceleración incremental del cosmos en lugar de una fuerza constante. Una teoría que propone este tipo de energía oscura es la conocida como quintaesencia, la cual propone que los resultados de la energía oscura no proceden del espacio vacío, sino de un campo que impregna el espacio-tiempo y que puede tomar distintos valores en distintos puntos.

Una explicación alternativa para la discrepancia, sin embargo, es que el universo contiene una partícula adicional más allá de las que conocemos. En particular, una nueva especie de neutrino — una partícula casi sin masa que aparece, que sepamos hasta ahora, en tres variedades — podría explicar la divergencia en las medidas de la constante de Hubble. Si existe un tipo adicional de neutrino, entonces más parte de la energía total del universo aparecería en forma de radiación, en lugar de materia. (Los neutrinos, debido a que casi no tienen masa, viajan prácticamente a la velocidad de la luz y, por tanto, cuentan como radiación en este cálculo). Mientras que la materia se agrupa bajo la gravedad, una mayor cantidad de radiación permitiría que el universo se expandiese más rápidamente de lo que lo haría en otro caso.

Y estas ideas son sólo dos de las posibles explicaciones a las medidas. Otra opción, por ejemplo, es que el universo no es plano, como se piensa, sino ligeramente curvado. Los teóricos están entusiasmados por todas estas ideas, y muchas más, pero los que trabajan en el experimento dicen que primero deben tratar de encontrar errores en sus medidas que pudiesen explicar la divergencia. "Básicamente, ¿hay algo en la cosmología que no comprendemos, o hay algo incorrecto en nuestro datos?", dice Charles Bennett de la Universidad Johns Hopkins, que ha trabajado en las medidas de la constante de Hubble de los inicios del universo, y que no estuvo implicado en el último estudio. "Una opción es mucho más apasionante, pero creo que la otra es más probable".

Escalera de distancia

Riess y su equipo calcularon la velocidad a la que crece el universo comparando las distancias a distintas galaxias con sus desplazamientos al rojo — una medida de cuánto se ha estirado la longitud de onda de la luz pro la expansión del universo. Calcular las distancias fue toda una hazaña que requirió de una técnica a la que los investigadores llaman "construir una escalera de distancia". Primero usaron métodos comprobados para medir la distancia a las galaxias cercanas, luego usaron esas distancias para calibrar medidas de estrellas variables dentro de las galaxias. Estas estrellas, conocidas como Cefeidas, aumentan y disminuyen su brillo de forma periódica, lo que les permite usarse como varas de medir cósmicas. Finalmente, los investigadores usaron las Cefeidas — que sólo se visibles si están relativamente cerca — para calibrar medidas de un tipo especial de explosión de supernova conocida como de Tipo Ia, que estallan con un brillo conocido que permite a los astrónomos deducir su distancia. Una vez que han obtenido medidas fiables de las supernovas cercanas, las comparan con supernovas más lejanas del mismo tipo para lograr lecturas muy precisas de sus distancias.

Ésta, esencialmente, es la misma técnica que Riess y sus colegas usaron en la década de 1990 para descubrir las primeras pruebas de la expansión acelerada del universo — un hallazgo que más tarde les otorgó a él y otros dos investigadores el primero Nobel de física. En 2011 el equipo hizo una medida actualizada de la constante de Hubble basándose en ocho galaxias que contenían tanto Cefeidas como supernovas de Tipo Ia, pero el nuevo artículo añadía 10 más. "Para cada una de esas 10 galaxias, las observamos unas 12 veces a lo largo de un periodo de 100 días", comenta Samantha L. Hoffmann de la Universidad Texas A&M, que analizó gran parte de los datos. "Fue un gran proyecto".  Las nuevas medidas dejan la velocidad de expansión del universo en 73,02, más o menos 1,79 kilómetros por segundo por megapársec (unos 3 millones de años luz), lo que significa que, para cada megapársec, el espacio se aleja a 73 kilómetros por segundo más rápidamente.

Mirando atrás en el tiempo

La medida de la constante de Hubble de los inicios del universo, por otra parte, procede de las observaciones del fondo de microondas cósmico (CMB) — la luz dejada por el Big Bang y que impregna todo el cielo. Los investigadores estudiaron los patrones del CMB y los extrapolaron a la época moderna, basándose en las leyes cosmológicas predominantes, para llegar a la constante de Hubble. Las mejores observaciones hasta la fecha del CMB se realizaron gracias al satélite Planck de la ESA, cuyos datos dejan la velocidad de expansión del universo en 67,3, más o menos 0,7, kilómetros por segundo por megapársec.

"Antes, teníamos pistas de que podría haber tensión entre las dos medidas", señala Dan Scolnic de la Universidad de Chicago, miembro del equipo de Riess. "Ahora tanto nuestro equipo como el de Planck han realizado nuevos análisis y esas pistas se han convertido en algo más sólido. Tenemos esta alarma de que algo más podría estar en marcha. Ésta podría ser la mayor discrepancia actual en la cosmología".

El último resultado también es concuerda con otras medidas de la constante de Hubble basadas en unas medidas realizadas con escaleras de distancia similares, tales como el estudio de 2012 dirigido por Wendy Freedman de la Universidad de Chicago. "Creo que es interesante que se haya aumentado el tamaño de la muestra, y que el resultado no haya cambiado en esencia", señala Freedman. "Es un espectacular progreso haber llegado a este punto, pero para realizar una medida realmente definitiva a este nivel se requieren métodos independientes. Cómo resolver definitivamente esto es algo que aún no puede decirse". Freedman está dirigiendo un trabajo para realizar los mismos cálculos usando otro tipo de varas de medir cósmicas — estrellas variables RR Lyrae — en lugar de Cefeidas.

En el lado del CMB los científicos también continúan analizando datos y buscando explicaciones sobre qué podría haber ido mal. Bennett, que dirigió una misión de cartografiado del CMB antes del experimento de Planck, conocido como WMAP, dice que también hay discrepancias dentro de los datos del CMB, por ejemplo entre lo que miden los satélites que observan el cielo a pequeña escala frente a las escalas grandes. "Antes de aceptar ninguna conclusión me gustaría comprender primero estas cosas", comenta. En general, está intrigado con el progreso.

"Hemos pasado muchos años sin conocer el valor de la constante de Hubble en un factor de dos, y ahora estamos hablando de lograrlo con un margen de error del 2 por ciento", añade. "Estas cosas que estamos comparando tienen una precisión muy fina, y son un legado para mucha gente que trabaja en este campo. El mensaje es que no todo está hecho. Necesitamos seguir avanzando".