Problemas pendientes en el modelo cosmológico estándar

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El modelo cosmológico estándar, que se impuso hacia 1998, recibe el nombre de LCDM y se basa en las siguientes afirmaciones:

• El universo empezó con un Big Bang, tras el cual hubo una etapa de expansión acelerada (la inflación), que después se redujo hasta niveles próximos a los actuales. Más tarde apareció la materia ordinaria, formada esencialmente por hidrógeno y helio.
• La curvatura media del cosmos es próxima a cero (universo plano): el espacio tridimensional es aproximadamente euclídeo.
• La densidad media de materia del cosmos equivale a alrededor del 30% de la densidad crítica (la que separa un cosmos abierto, en expansión ilimitada, de un cosmos cerrado, que volvería a contraerse). Como la densidad de materia ordinaria que se ha detectado hasta ahora representa menos de un 5% de la densidad crítica, el resto (más del 25%) tendría que ser una forma desconocida (la materia oscura). De hecho, sería lo que se llama materia oscura fría, lo que explica las siglas CDM en el nombre del modelo (Cold Dark Matter). En un artículo anterior hablé sobre la materia oscura.
• La expansión acelerada del universo se explica resucitando la constante cosmológica de Einstein, a la que dediqué otro artículo. Representaría una interacción desconocida (energía oscura) que habría que añadir a las cuatro conocidas: gravedad, electromagnetismo y las nucleares fuerte y débil. Su efecto sería equivalente al 70% de la densidad crítica, que sumado al 30% de la densidad de materia, suma exactamente el valor crítico. Como la constante cosmológica se representa por el símbolo L, el nombre del modelo estándar queda explicado.

Al modelo estándar se opone una serie de modelos alternativos, poco considerados por los cosmólogos más famosos (los que han recibido el Premio Nobel), que pueden clasificarse así:

1. Derivaciones de la teoría del estado estacionario hoy abandonada, que sustituyen el Big Bang por muchos Pequeños Bangs.
2. Modificaciones a la teoría de Einstein, que en su estado actual predice la existencia de singularidades y parece hacer inevitable el Big Bang, como demostraron en 1970 Roger Penrose y Stephen Hawking.
3. Modelos basados en propiedades desconocidas que podrían explicar el corrimiento al rojo de las galaxias sin necesidad de recurrir a la expansión del universo, como la teoría de la luz cansada, que aduce que la luz pierde energía a medida que avanza distancias enormes, lo que daría lugar al corrimiento al rojo.
4. Observaciones que podrían interpretarse en el sentido de que el universo no es isótropo (igual a gran escala en todas direcciones), al revés de lo que implica el modelo estándar.

En favor del Big Bang y del modelo estándar se aducen dos predicciones correctas que se remontan a finales de los años cuarenta y una observación realizada a finales del siglo XX:

• La proporción de elementos ligeros en el universo (especialmente la de He⁴), predicha en 1948 por Alpher y Gamow.
• La radiación cósmica de fondo, con una temperatura de unos 5ºK (en realidad es de 2.73ºK), predicha en 1948 por Alpher y Herman.
• La expansión acelerada del universo, señalada en 1998 por dos equipos investigadores diferentes.

Martín López Corredoira

En un artículo reciente, Martín López Corredoira, del Instituto de Astrofísica de Canarias, ha realizado una revisión muy completa de los problemas a los que aún se enfrenta el modelo cosmológico estándar, y cómo los enfocan los distintos modelos alternativos. Dichos problemas pueden resumirse así:

1. Problemas relacionados con el corrimiento al rojo. La expansión del universo ha sido estudiada por medio de diversas observaciones: experimentos sobre la dilatación temporal, uso de cronómetros cósmicos, la prueba de Tolman sobre el brillo superficial de las galaxias, el número de galaxias en función de su magnitud, etc. Una tabla en el artículo compara los modelos basados en la realidad de la expansión cósmica con los modelos estáticos, y encuentra que algunas de las pruebas favorecen a los primeros, mientras otras parecen adaptarse mejor a los segundos. Los resultados, por tanto, no son concluyentes.
2. Problemas relacionados con la radiación cósmica de fondo. Hay discrepancias respecto a las predicciones de su temperatura, su origen, y las anisotropías que se han detectado en esta radiación tras el análisis de los datos proporcionados por los satélites COBE, WMAP y Planck. Hay problemas también respecto al efecto del polvo de nuestra galaxia, como se vio cuando una polarización circular supuestamente detectada en 2014 en la radiación cósmica de fondo, y que se tomó al principio como confirmación de la teoría inflacionaria, resultó haber sido producida por dicho polvo.
3. Problemas relacionados con la abundancia de elementos ligeros en el universo. Hay discrepancias sobre las abundancias de He⁴ y Li⁷ según cuáles sean los métodos utilizados para estimarlas.
4. Problemas relacionados con la formación de las galaxias. Algunas observaciones realizadas sobre la estructura a gran escala del universo detectan la presencia de agrupaciones, vacíos y periodicidades en la distribución de las galaxias que no parecen compatibles con el modelo estándar y con la isotropía del universo predicha por este.
5. Problemas relacionados con la edad de las galaxias. De la composición de las estrellas en algunas galaxias muy lejanas, parece deducirse que esas galaxias deberían tener una edad mayor que la del universo, algo evidentemente absurdo.
6. Problemas relacionados con la materia oscura, cuya abundancia y distribución es diferente, según se parta del modelo estándar o del comportamiento de las estrellas en las galaxias, que fue la razón inicial para la predicción de su existencia. Hasta ahora, todos los experimentos ideados para detectar la materia oscura han dado resultados negativos.
7. Problemas relacionados con la energía oscura. La interpretación de los datos que condujo a la teoría de la expansión acelerada del universo podría no ser correcta. Se han propuesto otras explicaciones.

Ecuación cosmológica de Einstein

Se observará que los problemas indicados forman una panoplia bastante variada. Algunos apuntan contra la teoría del Big Bang. Otros se dirigen más bien contra el modelo estándar (LCDM) sin afectar significativamente la base teórica fundamental (la ecuación cosmológica de Einstein). En definitiva, las cosas no están tan claras en esta teoría como usualmente se nos quiere hacer creer, especialmente en los medios de comunicación. La teoría del todo y el fin de la ciencia están muy lejos de nosotros. Además, siempre que se hacen nuevos descubrimientos, se abren nuevas incógnitas. Afortunadamente.

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Manuel Alfonseca