Resuelven el misterio de la velocidad de expansión del Universo

La expansión del Universo / foto NASA-dominio público en Wikimedia Commons

Un investigador de la Universidad de Ginebra afirma haber resuelto la controversia científica sobre la velocidad de expansión del universo al sugerir que no es totalmente homogénea a gran escala.

La Tierra, el sistema solar, toda la Vía Láctea y los pocos miles de galaxias más cercanas a nosotros se mueven en una vasta “burbuja” de 250 millones de años luz de diámetro, donde la densidad media de la materia es la mitad de grande que en el resto del universo.

Esta es la hipótesis planteada por un físico teórico de la Universidad de Ginebra (UNIGE) para resolver un enigma que ha estado dividiendo a la comunidad científica durante una década: ¿a qué velocidad se está expandiendo el universo? Hasta ahora, al menos dos métodos de cálculo independientes han llegado a dos valores que difieren en un 10% aproximadamente con una desviación estadísticamente irreconciliable. Este nuevo enfoque, que se expone en la revista Physics Letters B, borra esta divergencia sin hacer uso de ninguna “nueva física”.

Probabilidades pico normalizadas para la tasa de expansión esperada
en nuestro entorno local de 40 Mpc dado un valor cosmológico H0 (panel izquierdo) y para un H0 cosmológico dado los datos locales (panel derecho) / foto Lucas Lombriser

El universo se ha estado expandiendo desde que ocurrió el Big Bang hace 13.800 millones de años, una proposición hecha por primera vez por el físico belga Georges Lemaître (1894–1966), y demostrada por Edwin Hubble (1889–1953). El astrónomo americano descubrió en 1929 que todas las galaxias se alejan de nosotros, y que las galaxias más distantes son las que se mueven más rápidamente. Esto sugiere que hubo un tiempo en el pasado en el que todas las galaxias estaban ubicadas en el mismo lugar, un tiempo que sólo puede corresponder al Big Bang.

Esta investigación dio lugar a la ley de Hubble-Lemaître, incluyendo la constante de Hubble (H0), que denota la tasa de expansión del universo. Las mejores estimaciones de H0 se encuentran actualmente alrededor de 70 (km/s)/Mpc (lo que significa que el universo se expande 70 kilómetros por segundo más rápidamente cada 3,26 millones de años luz). El problema es que hay dos métodos de cálculo contradictorios.

El primero se basa en el fondo cósmico de microondas: se trata de la radiación de microondas que nos llega de todas partes, emitida en el momento en que el universo se enfrió lo suficiente como para que la luz finalmente pueda circular libremente (unos 370.000 años después del Big Bang). Utilizando los datos precisos suministrados por la misión espacial Planck, y dado que el universo es homogéneo e isotrópico, se obtiene un valor de 67,4 para H0 utilizando la teoría de la relatividad general de Einstein para recorrer el escenario.

El segundo método de cálculo se basa en las supernovas que aparecen esporádicamente en galaxias distantes. Estos eventos muy brillantes proporcionan al observador distancias muy precisas, un enfoque que ha permitido determinar un valor para H0 de 74.

Lucas Lombriser, profesor del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, explica: Estos dos valores siguieron siendo más precisos durante muchos años, mientras que seguían siendo diferentes el uno del otro. No se necesitó mucho para desatar una controversia científica e incluso para despertar la excitante esperanza de que tal vez estábamos tratando con una ‘nueva física’.

Relación esquemática entre distancia y desplazamiento al rojo para una inhomogeneidad local uniforme en un fondo cosmológico homogéneo / foto Lucas Lombriser

Para reducir la brecha, el profesor Lombriser consideró la idea de que el universo no es tan homogéneo como se afirma, una hipótesis que puede parecer obvia a escalas relativamente modestas. No hay duda de que la materia se distribuye de forma diferente dentro de una galaxia que fuera de ella. Sin embargo, es más difícil imaginar las fluctuaciones de la densidad media de la materia calculada en volúmenes miles de veces mayores que una galaxia.

Si estuviéramos en una especie de ‘burbuja’ gigante, continúa el profesor Lombriser, donde la densidad de la materia fuera significativamente menor que la conocida para todo el universo, tendría consecuencias en las distancias de las supernovas y, en última instancia, en la determinación de H0.

Todo lo que se necesitaría sería que esta “burbuja de Hubble” fuera lo suficientemente grande para incluir la galaxia que sirve como referencia para medir las distancias. Estableciendo un diámetro de 250 millones de años luz para esta burbuja, el físico calculó que si la densidad de la materia en su interior era un 50% menor que la del resto del universo, se obtendría un nuevo valor para la constante de Hubble, que coincidiría con el obtenido utilizando el fondo cósmico de microondas. La probabilidad de que haya tal fluctuación en esta escala es de 1 en 20 a 1 en 5, dice el profesor Lombriser, lo que significa que no es una fantasía de un teórico. Hay muchas regiones como la nuestra en el vasto universo.

Fuentes: Universidad de Ginebra / Lucas Lombriser, Consistency of the local Hubble constant with the cosmic microwave background, Physics Letters B, Volume 803, 10 April 2020, 135303, doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135303.