El modelo cosmológico estándar

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Mapa de la Radiación Cósmica de Fondo

En 1927, el sacerdote y astrónomo belga Georges Lemaître descubrió la ley de Hubble.

Sí, es correcto. Hubble no descubrió la ley hasta 1929. Lo que pasó fue que Lemaître lo publicó en francés en una revista de poco impacto (Annales de la Société Scientifique de Bruxelles), mientras Hubble, que lo publicó dos años más tarde en inglés en los Proceedings of the National Academy of Sciences, recibió mucha más publicidad y su nombre quedó asociado al descubrimiento.

Combinada con la ecuación cosmológica de Einstein, la ley de Lemaître-Hubble implica que el universo está en expansión. En un artículo publicado en 1931 en Nature, Lemaître sacó las consecuencias de esto proponiendo la teoría del Big Bang, así llamada en burla por su opositor Fred Hoyle en 1950. El nombre cuajó.

En 1948, Ralph Alpher, George Gamow y Robert Herman hicieron dos predicciones sorprendentes, partiendo de la teoría del Big Bang: la composición media de la masa del cosmos (tres cuartas partes de hidrógeno y una de helio), y la existencia de la radiación cósmica de fondo. Ambas fueron comprobadas durante los años sesenta. A partir de ahí, la teoría del Big Bang se convirtió en la teoría cosmológica estándar.

Poco después del Big Bang, a medida que el universo se iba expandiendo, la temperatura fue descendiendo progresivamente. Mientras dicha temperatura fue mayor que 3000 grados absolutos, toda la materia del cosmos (una mezcla de hidrógeno y helio) estaba en estado de plasma, como lo está ahora el sol, por lo que era opaca. Cuando la temperatura descendió por debajo de ese valor (algunos cientos de miles de años después del Big Bang) la materia pasó al estado gaseoso y se volvió súbitamente transparente. Lo que vemos como radiación cósmica de fondo no es más que la última imagen de ese plasma, una fracción de segundo antes de su transformación en gas.

Desde entonces hasta aquí el universo ha seguido expandiéndose y la temperatura aparente de la radiación cósmica de fondo ha disminuido hasta alcanzar hoy un valor muy próximo al cero absoluto: 2,72548K. Este valor es prácticamente el mismo en todas las direcciones del espacio. Sólo cambia la quinta cifra decimal (el 8). Los mapas que nos presentan, con zonas rojas y azules, utilizan la técnica del falso color para exagerar las diferencias. Sólo así podemos distinguir algo.

Espectro de potencia de las ondas acústicas en la
Radiación Cósmica de Fondo

A pesar de que las diferencias son tan pequeñas, es posible distinguir en la radiación cósmica de fondo la presencia de ondas acústicas. Lo que se ha hecho, a partir de los datos cada vez mejores obtenidos sucesivamente por los radio-telescopios espaciales COBE, WMAP y Planck, ha sido construir un modelo matemático de la radiación cósmica de fondo que depende de seis parámetros fundamentales, y ajustar estos parámetros hasta conseguir que el espectro de potencia de las ondas acústicas del modelo se adapte lo más posible al detectado en los datos reales, como indica la figura adjunta. 

Este es el modelo cosmológico estándar LCDM, lo que significa: con constante cosmológica (L), y con materia oscura fría (Cold Dark Matter). Uno de los puntos de partida de este modelo es que la curvatura del universo es prácticamente igual a cero. Esto significa que el espacio es plano (euclídeo) y en consecuencia el segundo término de la ecuación cosmológica de Einstein es nulo. Además, la velocidad de expansión del universo tendría exactamente el valor crítico, por lo que el cosmos se expandirá cada vez más, sin volver a contraerse nunca. De hecho, se supone que la expansión se va acelerando, como indiqué en otro artículo.

Ecuación cosmológica de Einstein

De los dos términos que quedan de la ecuación cosmológica, el primero representa el efecto gravitatorio de la materia del cosmos. Este término aporta el 31% del valor crítico de la velocidad de expansión. El otro término no nulo, el de la constante cosmológica, aportaría el otro 69% del valor crítico. Lo malo es que la masa cósmica que somos capaces de detectar, basada esencialmente en hidrógeno y helio, sólo equivale al 5% del valor crítico. Falta, por tanto, un 26% que no sabemos de dónde viene. Lo llamamos materia oscura. Al término de la constante cosmológica, que tampoco sabemos de dónde viene, se le llama energía oscura.

Entre los seis parámetros básicos del modelo cosmológico estándar no se encuentra la constante de Hubble, pero su valor actual H₀ (pues aunque se llama constante varía con el tiempo) puede deducirse de dichos parámetros. El valor obtenido a partir de los datos del satélite Planck es 67,74±0,46.

Y aquí tenemos el mayor problema detectado hasta ahora en el modelo cosmológico estándar: la última medida directa del valor de H₀ a partir de la velocidad de alejamiento de las galaxias próximas a nosotros, que se hizo público el 22 de febrero de 2018 y se obtuvo utilizando el telescopio espacial Hubble, arroja el resultado de 73,45±1,66, que está bastante alejado del valor que da el modelo cosmológico estándar. Obsérvese que los dos intervalos ni siquiera tienen puntos comunes. Esta discrepancia puede resolverse de tres maneras:

• O bien los datos obtenidos en febrero de 2018 son incorrectos. Se espera mejorarlos y reducir la incertidumbre por debajo del 1%.
• O bien el modelo cosmológico estándar debe ser retocado. Esto habría que hacerlo sin reducir la perfección con que el modelo actual se adapta al espectro de potencia de las ondas acústicas.
• O bien habría que buscar un modelo cosmológico diferente y más adecuado. El problema es que ahora mismo no se sabe cuál podría ser. Quizá nos haga falta un nuevo Einstein.

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Manuel Alfonseca