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.

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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25 respuestas a Premio Nobel de Física 2011: expansión acelerada del universo

  1. Michael dijo:

    Saludos, acá unas inquietudes de amigos para ser respondidas con propiedad:
    “Pregunta, como es posible que se concluye que las galaxias mas lejanas se expanden en forma acelerada indefinidamente ? Primero, no puede ser indefinidamente pues de serlo superarian la velocidad de la luz. Segundo, si es indefinidamente entonces formarian universos separados donde la luz, y cualquier informacion al respecto de estas galaxias, ya no nos llegaria a este lado del universo. Hay problemas en esta logica clasica aplicada a un Universo tan misterioso?”

    • Daneel dijo:

      Lo que dice la relatividad es que nada puede moverse más rápido que la luz a través del espacio, sin embargo el espacio tiene inmunidad diplomática y puede ir a la velocidad que quiera. No es tanto que las galaxias lejanas se estén alejando de nosotros sino que el espacio entre ellas y la nuestra se está expandiendo. Y sí, hay un límite después del cual el espacio se expande tan rápido que las cosas se alejan más rápido que la luz; tales zonas del cosmos, hasta donde sabemos, son completamente inaccesibles. Si la expansión continúa, va a llegar un momento que todo el universo salvo una súpergalaxia va a ser visible para nuestros descendientes.

      Personalmente, creo que la constante cosmológica de Einstein fue un error y siempre lo será. Que haya tenido “suerte” y exista una fuerza repulsiva no significa que su emparche a la relatividad fuera correcto. Como vos decís, si no lo hubiera hecho, habría *predicho* la expansión del universo. La energía obscura, en mi opinión, no tiene nada que ver con la constante cosmológica; una es una descripción de observaciones mientras que la otra es un artefacto matemático para hacer encajar una teoría con lo que se creía en el momento (que resultó ser falso).

    • Jose Luis dijo:

      No son exactamente las galaxias las que se expanden sino el espacio comprendido entre ellas. Ese vacío cósmico, por definición, no es materia, por lo que no se vulnera la relatividad especial. El universo (ese espacio intergaláctico), puede por lo tanto expandirse a velocidades superiores a las de la luz, bajo la influencia de la energía oscura. En efecto, y sobre la base de una expansión acelerada, la luz de las galaxias mas lejanas no nos llegará nunca, reduciendo la expectativa del universo observable.

  2. Patricio Mella dijo:

    Saludos Compadrito, muy a punto con la noticia. Y notable para la cosmología que este premio llegue ahora aunque debería haber llegado hace algo más de 10 años de retraso, creo yo.

    Quiero aprovechar también de responder en parte a Michel su inquietud.

    Existe un ejemplo, muy usado para explicar la expansión del Universo, del cual hay que tener cuidado con su interpretación, pero veamos como nos resulta. El ejemplo dice que se imagine un globo con puntos dibujados sobre su superficie ( igualmente podemos imaginar una superficie plana de algún material elástico, para no tener problemas con el aire con el cual inflaremos el globo, que no significa nada. Hago la aclaración pues muchos piensan que ese aire tendría algo que ver con la energía oscura que acelera la expansión). Estos puntos dibujados sobre la superficie del globo serán pues galaxias, a medida que el globo se infla estos puntos se van separando cada vez más, este y sólo este es el sentido de lo que en cosmología sería la expansión, es decir, las cosas se van separando entre ellas cada vez más y más rápido. No significa que el espacio se expanda, ni tampoco las galaxias, sino la separación entre galaxias será cada vez mayor. Esto no provocará que se supere la velocidad de la luz. Aquí entra en juego el análogo del efecto doppler llamado redshift cosmológico. Esto significa en palabras simples que la información que proviene desde alguna galaxia distante deberá viajar una distancia determinada, mientras más lejos este, mayor será el tiempo que le tomará a la luz llegar por ejemplo hasta nosotros. Ahora respecto de la expansión indefinida, es un escenario posible si no existe alguna clase de energía-materia que frene a la energía oscura, la cual produce la expansión acelerada. Es verdad también en este modelo que la información que provenga de alguna galaxia lejana nunca llegue por ejemplo a nosotros, es decir, quizas en un futuro lejano seamos una galaxia aislada y los habitantes de algún mundo en esa galaxia pensarán que sólo existen ellos y nunca sepan que hubo un big bang y una acelaración, ni nada respecto de la riqueza de la cosmología que conocemos hoy. Es más, si no se pone freno a la expansión acelerada es posible que ocurra lo que predice un modelo llamado big rip, que significa que todo será separado incluso las estructuras atómicas, todo debido a la expansión acelerada que desde el punto de vista de la teoría de la relatividad general de Einstein sería producida por la energía oscura. Finalmente decir que no hay problema con la lógica clásica como dice Michel, que la entiendo como la teoría aceptada sobre la cosmología hoy en día. Concuerdo eso si que el universo es un espacio-tiempo misterioso que a su vez despierta nuestra imaginación como científicos.

    • William Porras dijo:

      Coincido contigo en el modelo, pero sigo pensando que la aceleracion de la expansion del universo es debido a que la accion de la gravedad entre los cuerpos es cada vez menor al estarse alejando entre ellos, que seri lo unico que podria contrarestar la energia cinetica del cuerpo en movimiento hacia afuera. Atentamente, William Porras, email: jwporras@balzola.org

  3. William Porras dijo:

    Excelente articulo cientifico al alcance de todos que aclara las dudas, sin embargo pienso que la aceleracion de la expansion del universo es debido a que la accion de la gravedad entre los cuerpos contenidos en el universo debido a la velocidad en que se alejan entre s (llevan una energia sinetica)i, es cada vez menor, causando esa aceleracion.
    William Porras. email: jwporras@balzola.org

    • Hola William,

      De lo poco que conozco de este tema, tengo entendido la energía oscura se “inventó” justamente porque la expansión del universo y la forma de las galaxias, entre otras cosas, no puede ser explicada satisfactoriamente tan solo por la acción de la gravedad tal como plantea hasta ahora.

      Se han hecho simulaciones en computadoras y se llegó a la conclusión de que para que las galaxias tengan la forma que tienen se necesitaría más masa de la que efectivamente tienen, por lo tanto, se piensa que debe existir algo más que mantiene la galaxia unida, a eso, que aun no se explica que es, se le llama energía o materia oscura.

      PD: Cinética es con C.
      Saludos!

    • Patricio Mella dijo:

      Quizás pensando en la cosmología newtoniana. Pero sólo agregar que el 30% de materia o energía que falta respecto del 70% que comenta Jorge en su artículo, que esta más menos repartida entre un 4% aproximadamente de materia barionica o materia común o mejor decir materia que puede ser detectada en algún rango del espectro electromagnético y el otro 26% es la conocida materia oscura detectada sólo por sus efectos gravitacionales. Este 30% de materia-energía desde el punto de vista de la cosmología relativista (desarrollada con la teoría general de la relatividad de Einstein) es la que actúa de forma atractiva y hace que todos los constituyentes del universo se mantengan unidos o juntos por decirlo de manera coloquial, y el 70% restante que llaman energía oscura es la encargada de producir una especie de repulsión entre los constituyentes de materia del Universo y que se ve reflejado entonces en esta expansión acelerada del Universo. Esto produce una especie de disputa entre estas dos energías, un tira y afloja entre materia oscura que lucha por mantenernos unidos y por otro lado la energía oscura que trata de separarnos, y que al parecer para este modelo donde la expansión es acelerada la disputa la esta ganando la energía oscura. Finalmente mencionar que existen también modelos que unifican estas dos cosas, es decir, no recurrir a una energía oscura sino más bien recurrir a sólo un tipo de energía-materia que pase de un estado desacelerado a otro acelerado.

    • Jose Luis dijo:

      La gravedad es una fuerza opuesta a la expansión. En zonas donde la concentración de materia es superior a la media cosmológica, la gravedad supera a la expansión. La Vía Láctea y Andromeda (galaxias vecinas, a algo mas de dos millones de años luz entre ellas) se están aproximando, porque su velocidad de atracción es superior a la velocidad de expansión atribuido al Grupo Local del que forman pare (500 kms por segundo).

  4. Sólo un dato muy pedestre…en el capítulo de House de ayer decía que el, antes de estudiar Medicina, habia pensado en hacer un Doctorado en Física, ya que el tema de la materia oscura es el mayor problema no probado de la ciencia…

    Así como para decir que los escritores de House ya sabian lo del Nobel! jajaja

  5. Tu idea sobre que los pares de partículas-antipartículas que se destruyen y producirían una fuerza de repulsión, me entere de ella hace recientemente (lo leí en ciencia kanija – noticia original de universe today)… no se si estas enterado de ese paper?.

    La gente puede ayudar a buscar supernovas aquí http://supernova.galaxyzoo.org/
    por cierto hay algunas observaciones que cuestionan el “principio” de “supernova 1A constante brillo” hay observaciones que han mostrado que no es tal, he incluso varias novas 1A podrían haber superado el limite de Chandrasekhar.

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  8. Curioso dijo:

    Un video relacionado… creo….
    http://www.otrocanal.cl/?video=2694

  9. armando muñoz olmos dijo:

    El universo se expande a 9999999 millones de galaxias por segundo por 9 infinito de años, a este paso al rastro de 9 segundos nuestro univeso sera una gota de agua en un mar de universos… el universo se expande claro…

  10. ShushoAcasuso dijo:

    y la presion (negativa) y una densidad de energia (positiva) acopladas al tensor de energia momentum podrian explicar un universo expandiendose?????

  11. Prof. Danieles Portu dijo:

    entre mayor sea la fluidez de espacio dentro de una materia, proporcional será la materia al cambio de presión interno, la expansión de materia cósmica se realiza a una velocidad que alcanza y sobre pasa la velocidad de luz pues ya que este por su presión que es directamente proporcional a su expansión logra una aceleración infinita, de hecho los mecanismos de medición en la actualidad no tienen la capacidad de calibrarse para dar en tiempo real una certificación de las variables obtenidas, es decir no se puede precisar con exactitud que la expansión del universo sea un factor real sabiendo que la densidad de energía puede variar en el tiempo y el espacio

  12. Frank dijo:

    En http://www.espacioytiempo.net se demuestra la inconsistencia de la Transformación de Lorentz. Si la Transformación de Lorentz está mal, también lo está la Teoría de la Relatividad. Espero que os sea sugerente.

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