A quina velocitat s'expandeix l'Univers?

La variabilitat en les mesures sobre l'expansió de l'Univers fa pensar en l'existència d'elements desconeguts per la física

Dennis Overbye / The New York Times
6 min
A quina velocitat s’expandeix l’Univers?

S'està gestant una crisi al cosmos. O potser només dins la comunitat dels cosmòlegs. I és que sembla que l’Univers s’expandeix massa de pressa, segons els càlculs d’alguns astrònoms. Hi ha mesuraments recents de les distàncies i la velocitat de galàxies llunyanes que no casen amb el “model estàndard” del cosmos que ha servit de referent durant les últimes dues dècades i que s’ha configurat amb l’esforç de molts científics. Però l’últim resultat que els investigadors han obtingut suposa una discrepància del 9% del valor d’una xifra buscada des de fa molt de temps: la constant de Hubble.

La constant de Hubble indica la velocitat a la qual s’expandeix l’Univers. El cas és que aquest petit desajustament ha desfermat un debat sobre fins a quin punt coneixem bé el cosmos. “Si és real, aprendrem una física nova”, afirma Wendy Freedman, de la Universitat de Chicago, que ha passat la major part de la seva carrera cartografiant l’abast i el creixement de l’Univers.

La constant de Hubble, anomenada així en honor d’Edwin Hubble, l’astrònom dels observatoris Mount Wilson i Carnegie que va descobrir que l’Univers s’expandeix, ha sigut sempre una font de maldecaps per als investigadors. En un Univers en expansió, com més lluny és un cos, més ràpid s’allunya. La constant de Hubble indica en quina mesura.

Però quantificar-la implica endevinar les distàncies a què estan situades les llums que brillen al cel: estrelles i fins i tot galàxies senceres que encara som incapaços de visitar o recrear al laboratori. Des de l’època de Hubble, l’estratègia ha consistit a trobar el que els astrònoms anomenen “espelmes estàndards”, és a dir, estrelles o galàxies senceres amb distàncies que es poden calcular des de la Terra a partir de la intensitat amb què brillen.

Ara bé, també hi ha un altre tema pendent, i és calibrar els mateixos instruments de mesura. Aquesta mancança ha donat lloc a una delicada tirallonga d’assumpcions i mesuraments amb petits errors i discrepàncies que poden arribar a generar interferències descomunals. Fa tot just tres dècades, fins i tot els astrònoms de renom eren incapaços de posar-se d’acord sobre l’edat de l’Univers: ¿tenia 10.000 o 20.000 milions d’anys? Avui tothom ha abandonat la controvèrsia i s’accepta que té 13.800 milions d’anys. De la mateixa manera, mitjançant una nova generació d’instruments, com ara el telescopi espacial Hubble, els astrònoms també han anat reduint progressivament el grau d’incertesa de la constant de Hubble.

Cada cop més a prop

L’any 2001 un equip dirigit per Freedman va fer públic que la constant de Hubble té un valor de 72 km per segon per megaparsec (uns 3,3 milions d’anys llum). Això significa que per cada 3,3 milions d’anys llum que s’allunya de nosaltres una galàxia, es desplaça 72 km per segon més de pressa. L’estimació original de Hubble era molt més alta, atès que l’astrònom atorgava a la seva constant un valor de 500 en la mateixa unitat de mesura.

Els resultats de Freedman tenien un marge d’error que feia que fossin feliçment congruents amb altres càlculs més indirectes, que havien atribuït a la constant de Hubble un valor de 67, lleugerament més baix i menys veloç. Aquests altres càlculs es basaven en estudis de microones procedents de la deflagració primordial del Big Bang que segueixen flotant pel firmament des de llavors.

Així doncs, els últims anys els astrònoms han enterrat la destral de guerra per donar per bona una recepta de l’Univers que dii que és tan fosc i dissolut com un brownie amb trossets de xocolata negra. L’Univers està format per aproximadament un 5% de matèria atòmica, un 27% de la misteriosa matèria fosca i un 68% de l’encara més misteriosa energia fosca, que accelera l’expansió còsmica. Tant és que no sapiguem exactament què són tots aquests elements foscos: els astrònoms tenen una bona teoria per explicar com es comporten, fet que els ha permès compondre una història plausible de l’evolució de l’Univers des que tenia una bilionèsima de segon fins als nostres dies. Però ara la precisió a l’hora de determinar la constant de Hubble ha millorat i això podria tornar a desfermar algunes polèmiques cosmològiques.

L’estiu passat un equip encapçalat per Adam Riess, de la Universitat Johns Hopkins i l’Institut de Ciències del Telescopi Espacial, va obtenir un valor per a aquesta esquívola constant de 73, amb un marge d’error de només el 2,4%. Van utilitzar dades del telescopi espacial Hubble i del gegantí telescopi Keck de Mauna Kea (Hawaii), així com d’explosions de supernoves com a marcadors més avançats de la distància.

Cal modificar la recepta del cosmos?

L’anunci del valor ha generat un gran enrenou perquè si fos correcte significaria que la constant de Hubble observada per l’equip de Riess és clarament incompatible amb el resultat inferit de les dades de la radiació vestigial del Big Bang obtingudes el 2013 per la nau espacial europea Planck. A partir de les dades de la missió europea s’havia obtingut un valor de la constant de Hubble de 67, més baix i més lent. Convé assenyalar que les observacions de la missió Planck, que mostren com era l’Univers quan només tenia 380.000 anys d’antiguitat, són considerades el patró or de la cosmologia.

Davant aquestes dades, ¿caldria modificar la recepta estàndard del cosmos per incorporar-hi, per exemple, una nova mena de partícules subatòmiques que travessen l’espai des de l’esclat del Big Bang? Hi ha investigadors que diuen que és massa d’hora per engrescar-se a parlar d’una nova física per una discrepància tan petita. Defensen que amb més dades i una millor comprensió de les incerteses estadístiques, la discrepància podria desaparèixer. D’altres diuen que això podria ser el principi d’alguna cosa important. David Spergel, un cosmòleg de la Universitat de Princeton i la Fundació Simons, qualifica la discrepància de “molt intrigant”, però afirma que no està convençut que sigui el segell d’una nova física. Michael S. Turner, de la Universitat de Chicago, assenyala: “Si la discrepància és real, podria trastocar l’actual model estàndard de cosmologia, que ha tingut molt d’èxit. Podria ser exactament el que desitja la generació més jove: una oportunitat de fer grans descobriments, adquirir nous coneixements i fer més progressos”.

L’estiu passat, Riess i el seu col·lega Stefano Casertano van obtenir si fa no fa el mateix resultat de 73, fet que reforça l’afirmació segons la qual hi ha una discrepància entre les constants de Hubble. Ho van fer a partir de les primeres dades de la sonda espacial europea Gaia, que mesura les distàncies de més de mil milions d’estrelles per triangulació, cosa que permet als astrònoms saltar-se els esglaons més baixos i pujar per l’escala del càlcul de les distàncies.

Riess i Casertano van calcular que les probabilitats que aquesta divergència fos un accident estadístic eren menors d’una part de cada 100. Aquesta proporció pot semblar prou bona en pòquer, però no en física, un àmbit en què calen probabilitats més petites que una per un milió per poder sostenir que s’ha fet una descoberta. “En aquesta línia de recerca el dimoni s’amaga darrere els detalls i, després d’encertar-la amb tots els detalls, el que queda és un gran trencaclosques”, afirma Alex Filippenko, astrònom de la Universitat de Califòrnia i integrant de l’equip.

Cap a una nova física

Hi ha prou marge perquè tant els resultats moderns com els primordials siguin correctes, sostenen Riess i d’altres, atès que la Planck només mesura la constant de Hubble de manera indirecta i com un dels diversos paràmetres del model estàndard de l’Univers. Es podrien retocar altres paràmetres. I és aquí on podria entrar en joc la nova física.

Ja hi ha candidats per cobrir aquest buit, assenyala Riess. Darrere hi pot haver una nova forma de neutrins, partícules fantasmagòriques que ja se sap que són abundants al cosmos. N’hi ha de tres tipus i es poden convertir els uns en els altres a mesura que travessen l’espai. Alguns físics han suggerit que n’hi podria haver un quart tipus, anomenats neutrins estèrils, els quals no interactuarien amb absolutament res. El seu descobriment podria obrir la porta a nous reialmes en la física de partícules i tal vegada il·luminar la cursa per entendre la matèria fosca que inunda l’espai i serveix d’apuntalament gravitatori de les galàxies.

Una altra possibilitat és que, en el marc del model cosmològic, s’hagués de substituir la versió més popular de l’energia fosca coneguda com a constant cosmològica -inventada per Einstein fa un segle i més tard rebutjada com una relliscada seva- per una forma més virulenta i polèmica d’energia coneguda com a energia fantasma que podria fer que l’Univers acabés expandint-se tan de pressa que fins i tot els àtoms s’esquincessin en una gran estripada (Big Rip) que es produiria d’aquí milers de milions d’anys.

stats