Todo lo que siempre quiso saber del universo pero la mala divulgación científica no le contó (y 3)

Cúmulo de galaxias 1E 0657-56 (DP)Viene de «Todo lo que siempre quiso saber del universo pero la mala divulgación científica no le contó (2)»

Parte III, La luz cansada y las constantes inconstantes

Recordemos el reciente artículo publicado en El Confidencial cuyo titular reza: «La materia oscura no existe y el universo es el doble de viejo de lo que pensábamos».

Dedicamos la primera entrega de esta serie a repasar la historia del universo tal como nos la cuenta el modelo cosmológico estándar, llamado ΛCDM[1]. También presentamos una de las muchas observaciones cosmológicas que demuestran que la materia oscura, a diferencia de la osada afirmación del artículo de El Confidencial, sí existe. En la segunda entrega hablamos de la edad del universo (13.8 mil millones de años según ΛCDM), de la (inconstante) constante de Hubble y de la energía oscura, asociada a una misteriosa fuerza, que supone casi el 70 % de la energía del universo, y de la que sabemos muy poco.

Tras el anzuelo al incauto lector (disimulado en el encabezamiento, «Según un nuevo estudio», escrito con tipografía mucho más pequeña que el titular), el artículo de El Confidencial presenta un trabajo teórico reciente, publicado por un investigador de la Universidad de Ottawa, Rajendra Gupta. Como ya comentamos en la entrega 2 de esta serie, cada año se publican un buen número de estos artículos ofreciendo especulaciones más o menos audaces que permitan entender la misteriosa energía oscura.

¿En qué consiste el modelo de Gupta? Pues dicho de manera gráfica: en desnudar a un santo (de hecho, a varios santos) para vestir a otro.

Como hemos visto, la idea de que el universo está acelerando (y por tanto la necesidad de introducir energía oscura) viene de una inconsistencia entre el desplazamiento al rojo de las estrellas y su distancia absoluta. Una forma de resolver el problema del desplazamiento al rojo es especular que no se debe (o no se debe en su totalidad) a la expansión del universo sino a un fenómeno que Fritz Zwicky (el cosmólogo suizo que también propuso la existencia de materia oscura) llamó «Luz Cansada» (TL, de las siglas en inglés, Tired Light).

En 1929, Zwicky sugirió que si los fotones de luz perdían energía a medida que atravesaban el universo mediante colisiones con otras partículas, el efecto resultante sería también un aparente desplazamiento al rojo, ya que los fotones provenientes de objetos más distantes viajarían más y por tanto sufrirían más colisiones, lo que les haría perder más energía y por tanto aparecer como más rojos que los fotones provenientes de objetos más cercanos. En su formulación original Zwicky considera un universo estático, donde el desplazamiento al rojo se debía tan solo a TL.

Para distinguir distintas formas posibles de universo a través de observaciones, una de las herramientas que se utilizan es la llamada prueba de brillo superficial, sugerida por Tolman (Tolman Surface brightness test) en los años 1930 para confrontar modelos cosmológicos con las observaciones (ver figura 1). Por ejemplo, en un universo estático tanto la luz que recibimos de un objeto como su área aparente disminuyen cuanto más lejos está (en ambos casos, la disminución es proporcional al cuadrado de la distancia); por lo tanto, la cantidad de luz dividida por el área aparente debe ser grosso modo constante. Si, en cambio, el universo se está expandiendo, hay dos efectos que cambian el resultado: primero, el ritmo de llegada de los fotones disminuye respecto al del universo estático, porque un fotón emitido más tarde tiene que recorrer más distancia; segundo, la energía de los fotones disminuye debido al desplazamiento al rojo. Además, el área aparente de un objeto es mayor que la «real», ya que el objeto se ha alejado desde el momento en que emitió la luz con que lo vemos. El resultado es que el cociente luminosidad/área disminuye como función de la distancia, de una manera cuantitativamente predecible. Por último, en un universo estático con luz cansada cambia uno de los factores (la luz llega con menos energía) pero no el otro (los objetos no se están alejando). Cada uno de los tres casos da lugar a una dependencia diferente del resultado de la prueba de brillo con la distancia, y las observaciones han resultado ser compatibles con el universo en expansión, no con uno estático (con o sin luz cansada).

La aportación del trabajo de Gupta es sugerir que se puede construir un modelo híbrido matemáticamente coherente que combine TL con un universo en expansión, y que este modelo podría explicar las observaciones recientes de galaxias situadas a un desplazamiento al rojo muy grande. De hecho, tenemos un problema con esas galaxias, ya que las medidas directas de su edad están en tensión con la dinámica de formación de galaxias en ΛCDM, que no debería permitir su existencia tan temprano (en efecto, ¡hay muchos problemas abiertos!). Este modelo híbrido considera que el universo se expande pero más lentamente; parte del desplazamiento al rojo es TL y no expansión, lo que cambia la estimación de la edad del universo, y podría resolver el dilema de las edades de las galaxias.

No es un mal truco, pero no deja de ser una especulación un poco insatisfactoria, en el sentido de que realiza una postdicción (es decir, explica un fenómeno que ya se conoce, no lo predice). Cuando manejamos este tipo de construcciones complicadas para «forzar» la explicación de una observación, los profesionales a menudo evocamos los epiciclos de Ptolomeo.

La segunda hipótesis que Gupta adopta, no menos vieja (es debida a Paul Dirac, quien la propuso en 1937), considera la posibilidad de que las constantes físicas fundamentales (como la propia velocidad de la luz, la carga y la masa del electrón, la constante de Planck, etc.) varíen con el tiempo. Es decir: en el fondo no serían constantes, sino que su valor va cambiando —por ejemplo, decreciendo— con la edad del universo. Aplicando esta idea a la constante de Newton, que determina la intensidad de la interacción gravitatoria, se podría en principio eliminar la energía oscura.

¿Cuánta importancia tiene el trabajo del investigador de Ottawa? Como es habitual en ciencia, habrá que esperar un poco, o bastante, para ver si su modelo es capaz de explicar los muchos datos existentes. En todo caso, desde el punto de vista conceptual, Gupta recurre a desnudar a varios santos (uso de TL, constantes no universales) para vestir a otro (librarse de la energía oscura).

De hecho, la propia Universidad de Ottawa, a la que pertenece el investigador, presenta su trabajo en esta nota breve, correcta y clara.

¿Y el artículo de El Confidencial? Pues una publicación en un periódico de tirada nacional confunde la gimnasia con la magnesia. Basta con leer la segunda parte del titular:

SEGÚN UN NUEVO ESTUDIO

La materia oscura no existe y el universo es el doble de viejo de lo que pensábamos

La materia oscura es una misteriosa sustancia que explica la expansión del universo, pero que hasta ahora no hemos podido detectar. Un investigador asegura haber demostrado que eso se debe a que no existe.

Si el amable lector ha tenido la paciencia de leer hasta aquí, detectará que algo no cuadra. «La materia oscura es una misteriosa sustancia que explica la expansión del universo». NO. La expansión del universo se explica porque hubo un Big Bang, algo que se apoya en multitud de medidas como hemos visto. El autor del artículo, aparentemente se refiere a la energía oscura (confundiendo un músico con un místico), que dicho sea de paso tampoco se necesita para explica la expansión del universo sino la expansión acelerada de este.

La lectura del resto del artículo confirma que el autor de este no entiende nada de lo que escribe. Eso sí, estamos seguros de que el artículo no ha sido escrito por un LLM (ChatGPT o alguno de sus amigos), ya que si prueban a preguntarle a estos obtendrán explicaciones mucho más correctas. Algunas perlas seleccionadas:

El universo lleva en constante expansión desde el estallido del Big Bang, hace miles de millones de años, más o menos dependiendo a quién preguntes. Pero para explicar esta expansión incesante, los científicos han tenido que recurrir a una teoría llamada modelo de materia oscura fría lambda (LCDM o ΛCDM), que describe una fuerza que no interacciona con la luz y que, por tanto, es invisible para nuestros telescopios: la energía y la materia oscuras.

Aparte de la dudosa construcción sintáctica («más o menos dependiendo a quién preguntes») parece evidente que el autor sigue en sus erre de meter en el mismo bote a la materia y la energía oscuras.

Tras muchas otras lindezas, el artículo concluye así:

Si el investigador tiene razón, su teoría eliminaría la necesidad de la existencia de materia oscura en el universo y aportaría pruebas de la existencia de un nuevo modelo cosmológico. Pero Gupta admite que su teoría todavía necesita explicar otras cosas como la proporción de elementos creados en el Big Bang.

«Hay varios estudios que cuestionan la existencia de la materia oscura, pero el mío es el primero, que yo sepa, que elimina su existencia cosmológica al tiempo que es coherente con observaciones cosmológicas clave que hemos tenido tiempo de confirmar», afirma Gupta.

¡Vaya por Dios! La primera prueba que todo modelo cosmológico tiene que pasar es precisamente explicar la proporción de elementos ligeros de nuestro universo, que la teoría del Big Bang explica brillantemente. Para este viaje, realmente, no se precisaban tales alforjas. En cuanto a la confusión del autor del artículo de El Confidencial (que no del investigador) entre energía y materia oscura, es, bueno, cósmica.

Quizás el astuto lector se pregunte por qué nos hemos tomado tantas molestias para desmontar uno más de los muchos, muchísimos artículos mediocres sobre ciencia que aparecen en la prensa española. Por varias razones. La primera es que, como científicos practicantes, estamos hartos del anzuelo en lo que se refiere a noticias científicas. El diluvio constante de titulares escandalosos a la caza del clic es una falta de respeto abismal al lector. La segunda, también estamos hartos de la intolerable falta de rigor de estos artículos. Lo mínimo que se espera de una publicación así es que el autor sepa mínimamente de lo que habla, lo que a menudo (y desde luego en este ejemplo) no es el caso.

Hay en este país muchas personas que valoran a la ciencia y se toman en serio las noticias científicas. Se merecen que no los tomen por tontos y no les tomen el pelo. También por ellas nos hemos tomado el trabajo de intentar explicar todo lo que el curioso lector siempre quiso saber del universo, pero la mala divulgación científica no le contó. Esperamos que estas tres entregas hayan servido para contestar alguna de sus preguntas y, sobre todo, para espolear aún más su curiosidad.

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[1] Las siglas ΛCDM (Lambda-CDM) se refieren al modelo cosmológico estándar que describe el origen y la evolución del universo basándose en la teoría del Big Bang. En dicho modelo, Λ (Lambda) representa la constante cosmológica asociada con la energía oscura, una misteriosa fuerza a la que se atribuya la sorprendente observación de que la expansión del universo parece estar acelerando. CDM son las siglas de Cold Dark Matter, (materia oscura fría). El modelo cosmológico estándar proporciona un marco para entender la estructura a gran escala del universo y ofrece una explicación muy elaborada de la formación de galaxias, la distribución de la materia visible y oscura, y la estructura a gran escala del universo. El modelo es compatible con observaciones cruciales como la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB), la distribución de las galaxias, y la expansión del universo, entre otras.