Premio Nobel de Física 2011: expansión acelerada del universo

Esta mañana el Comité Nobel ha anunciado los galardonados con el Premio Nobel de Física de este año. Los ganadores son Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, y Adam G. Riess  “por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo a través de la observación de supernovas distantes”. Perlmutter trabaja en University of California Berkeley, Schmidt en la National Australian University, y Riess en Johns Hopkins University.

Supernovas Ia

Se conoce como supernova a la explosión que le ocurre a una estrella cuando su combustible nuclear se acaba. Para ser más precisos esto es lo que se llama una supernova tipo II. Existe sin embargo otro tipo de supernova llamado de tipo I, en el que una estrella pequeña pero muy densa llamada enana blanca (que es una estrella moribunda porque las reacciones nucleares casi han cesado, este es el futuro de estrellas poco masivas como nuestro Sol) orbita cerca de otra estrella. Debido a su alta densidad, la enana blanca puede robar material de su compañera acumulándolo en la superficie. En teoría, la enana blanca puede robar material hasta cierto límite (llamado límite de Chandrasekhar) más allá del cual la pequeña estrella no puede soportar su propio peso por lo que colapsaría. Antes de que esto ocurra, el aumento de la presión y densidad hacen que su temperatura aumente lo que enciende las reacciones nucleares nuevamente. Este proceso rompe la estrella haciéndola estallar como una supernova tipo I. Estas estrellas pueden mostrar señales de ausencia de ciertos elementos químicos, cuando el elemento faltante es hidrógeno se llama supernova tipo Ia (SNIa).
Dado que todas las SNIa ocurren por este mecanismo, todas emiten su luz de la misma manera. Esto es una excelente noticia para los astrónomos ya que las estrellas son un zoológico que vienen en muchos tipos, el tener un tipo especial de estrella que brilla de la misma manera la convierte en una excelente herramienta para medir distancias. Esto es porque si sabemos cómo brilla se puede medir cómo se observa desde la Tierra, como la intensidad disminuye con la distancia mientras menos intensa se observe una SNIa más lejos se encuentra de nosotros. Los astrónomos entonces pueden usar las SNIa como medidores de distancia. Y no cualquier distancia, dado que las supernovas son muy brillantes pueden usarse para medir distancias a escalas cosmológicas.

Existe sin embargo un pequeño problema: no sabemos dónde ni cuándo aparecerá una SNIa en el cielo, por lo tanto los astrónomos no saben exactamente dónde observar! Una técnica desarrollada hace décadas consiste en obervar una zona determinada del cielo, luego  de unas semanas observar la misma zona, y luego comparar. De esta manera se pueden encontrar nuevos objetos en el cielo.

La expansión del universo

La teoría del big bang nos dice que el universo comenzó con una gran explosión hace casi 14.000 millones de años y ha estado expandiéndose desde entonces. Dado que el universo contiene materia (gas, polvo, planetas) y toda la materia se atrae debido a la gravedad se espera que esta expansión vaya a un ritmo más lento cada vez, es decir, se espera que la expansión se desacelere. La determinación de cuánto se desacelera la expansión es una información muy importante en cosmología ya que nos permitiría conocer detalles acerca del posible futuro del universo. Aquí es cuando las SNIa adquieren un rol protagónico ya que el llamado parámetro de desaceleración puede ser determinado midiendo distancias cosmológicas.

La expansión acelerada del universo

En 1998 dos grupos de astrónomos, el Supernova Cosmology Project liderado por Saul Perlmutter y el High-z Supernova Search liderado por Brian Schmidt y en el que Adam Riess jugó un importante rol, anunciaron sus mediciones del parámetro de desaceleración usando SNIa: el resultado fue un valor negativo! En otras palabras el universo no frena su expansión (como se esperaría debido a la gravedad) sino que se expande a una tasa acelerada, es decir, cada vez más rápido. Esto significa que algo está empujando todo hacia afuera cada vez más. Ese algo misterioso permanece como una energía desconocida hasta el día de hoy y dado su misterio se le ha dado el nombre de energía oscura. Esta energía oscura no sólo es misteriosa porque no sabemos qué es sino que además constituye el 70% de nuestro universo. El descubrimiento de estos dos grupos constituye uno de los remezones más importantes de la física de las últimas décadas ya que nos dice que el universo está compuesto en un 70% por algo que desconocemos.

El error de Einstein?

En estos días hablar de que Einstein se ha equivocado es un cliché asociado a la posibilidad de que los neutrinos se muevan más rápido que la luz y por lo tanto que la relatividad podría necesitar correcciones. Sin embargo hace décadas Einstein afirmó que se había equivocado con otra cosa (es necesario mencionar que el hecho de que Einstein se equivoque no tiene nada de relevante, el que haya hecho grandes contribuciones a la física no lo hace especial). En 1915 Einstein publicó su teoría de la relatividad general, que básicamente es una teoría moderna de la gravedad. Dado que la gravedad es más importante a escalas cosmológicas Einstein aplicó su teoría al universo (notar el mayor logro: usar su teoría para describir el universo!). Aquí fue cuando Einstein encontró «un problema» en su teoría: las ecuaciones de la relatividad general indicaban que el universo sería muy inestable y que se expandería o colapsaría ante una pequeña perturbación, en tiempos en que se pensaba que el universo era estático (la expansión fue descubierta una década más tarde). Einstein no creyó en su propia teoría y la modificó para que el universo se quedara quieto. Para ello introdujo un parámetro llamado constante cosmológica (nada más que un artefacto matemático permitido por sus ecuaciones) que actuaba como una especie de gravedad negativa controlando la inestabilidad predicha por su teoría (personalmente pienso que éste fue un gran error ya que Einstein tuvo en sus manos una de las predicciones más fundamentales de la física: la expansión del universo!). En 1926 Hubble descubrió que las galaxias se alejaban unas de otras lo que fundó las bases de la teoría del big bang y la expansión del universo. Con esta observación la constante cosmológica dejaba de ser necesaria de Eintein llamó a esta idea «el mayor error de su vida«.
El descubrimiento de la expansión acelerada del universo en 1998 hizo a los físicos reconsiderar la constante cosmológica por lo que quizás Einstein no estaba equivocado después de todo, ya que la constante cosmológica sería lo que hoy llamamos energía oscura.

Esta mañana mi amigo y compañero de liceo Vicho me hizo recordar que en mis años de liceo escribí un pequeño ensayo acerca de los efectos de la creación continua de pares partícula-antipartícula en el universo. Mi conclusión (completamente infundada ya que mis conocimientos eran mínimos, en otras palabras en ese momento no tenía idea de lo que estaba diciendo) era que la energía latente debido a los pares de partículas y antipartículas que se crean y destruyen continuamente produciría una fuerza repulsiva que harían que el universo se expanda cada vez más rápido. La empresa Intel me invitó a presentar la idea en San Jose (California) en 2001, donde pude ir a Berkeley y tener la oportunidad de conocer a Saul Perlmutter, un tipo que se veía muy acelerado pero apasionado por lo que hacía. Al final la Sociedad Americana de Patentes me dio un premio por esta idea, pero esa es otra historia (gracias Vicho por el apoyo incodicional en los 90s).

Hoy el estudio de la energía oscura es uno de los campos más activos de la astrofísica, no sabemos qué es y ciertamente conocer su naturaleza nos entregará información acerca del 70% del universo que nos rodea.