Grandes retos del siglo XXI

Para 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble había acumulado observaciones de 24 galaxias que le permitieron cambiar la concepción del universo. Encontró un sorprendente resultado: la mayoría de las galaxias que él estudió se alejaban de la nuestra a una velocidad proporcional a su distancia, lo que se conoce como la ley de Hubble. Esta ley cinemática del universo local se interpreta como evidencia de una expansión uniforme del espacio: todas las galaxias se alejan las unas de las otras.

El descubrimiento de Hubble impulsó la teoría cosmológica basada en la relatividad general desarrollada por Albert Einstein años antes, y según la cual el universo no puede ser estacionario, tiene o bien que expandirse o bien que contraerse. Al estar expandiéndose actualmente el espacio, significa que en el pasado las distancias eran más y más pequeñas. La descripción de las condiciones físicas de la materia y radiación en épocas remotas, donde todo era más denso y caliente, dio lugar a la llamada teoría de la gran explosión, la teoría que mejor describe nuestro universo. En el contexto de la teoría de la gran explosión, hay múltiples posibilidades de expansión e incluso, luego de llegar a un máximo, podría haber contracción. Si en el universo hubiese sólo radiación y materia (tanto la ordinaria, como la oscura que aparentemente es cerca de seis veces más abundante), entonces la expansión tendría que frenarse por la acción atractiva de la gravedad que producen estos componentes. Ése es el comportamiento que se esperaba confirmar con las observaciones.

Durante décadas, muchos astrónomos dedicaron sus esfuerzos a estudiar la historia en el tiempo de la expansión del universo. El lector se preguntará si los astrónomos tenemos una máquina del tiempo. No, pero al estudiar objetos muy lejanos estamos estudiando el pasado porque la luz que de ellos nos llega salió de dichos cuerpos hace mucho tiempo, miles de millones de años en los casos más remotos. El reto lo asumieron en la década de los noventa dos grupos internacionales de astrónomos en el que jugaron un papel importante los observatorios de Cerro Calán y Cerro Tololo, Chile, así como los chilenos Mario Hamuy y José Maza, entre otros. Existe un tipo de explosiones estelares, llamadas supernovas de tipo Ia (SN Ia), que pueden verse a grandes distancias durante días y semanas posteriores a la explosión. Estas explosiones se espera sean similares en su luminosidad intrínseca, ya que provienen de superar la masa crítica de una estrella enana (1.4 masas solares) al acretar materia de una estrella compañera.

Lo que seguía era cazar supernovas del tipo correcto que estuvieran muy alejadas. Estas explosiones no son tan comunes. Por ejemplo, en galaxias como la nuestra se estima que pueden ocurrir alrededor de dos cada mil años. Entonces, para descubrir algunas supernovas en un año, hay que monitorear con buena precisión fotométrica decenas de miles de galaxias alejadas. Esta tarea la emprendieron en la década de los noventa de manera entusiasta las dos grandes colaboraciones internacionales mencionadas arriba, una encabezada por Saul Perlmutter y otra por Brian Schmidt y Adam Riess, los tres nacidos en Estados Unidos, aunque Schmidt realizó la mayor parte de su carrera profesional en Australia. Estos tres científicos compartirían el Premio Nobel de Física de 2011. En los artículos en los que planteaban cómo realizarían sus respectivos proyectos, ambos grupos hablaban de determinar la desaceleración de universo. Nadie hablaba de la posibilidad de que la expansión del universo estuviera acelerándose. La naturaleza les guardaba una enorme sorpresa.

Ambos grupos publicaron sus primeros resultados en 1998 y 1999 usando aún pocas supernovas cosmológicas. Aunque todavía con mucha incertidumbre, sus datos indicaban que el universo no se está desacelerando (esto es, expandiéndose cada vez mas lentamente), sino acelerando. Esta expansión acelerada implica que la densidad de materia-energía del universo está dominada por un medio repulsivo. Esto motivó un gran interés en las comunidades tanto de la astronomía como de la física.

Resultados de diferentes áreas sumados a los diferentes sondeos cosmológicos han convergido hacia un modelo cosmológico con geometría plana que de estarse frenando pasó a acelerarse en su expansión y que al día de hoy tiene densidades de materia-energía correspondientes a aproximadamente 5% en materia ordinaria, 21% en materia oscura y 74% en energía oscura. Contra lo que se creía anteriormente, la materia ordinaria es sólo una fracción pequeña del contenido de materia-energía del universo. Por otro lado, hay que decir que 5% que nos constituye a los seres humanos y a todo lo que vemos, es el porcentaje interesante porque es el que es capaz de formar estructuras como estrellas, planetas y humanos. La materia oscura y la energía oscura están distribuidas de manera más difusa. Pero en las grandes escalas son las que dominan el movimiento de las cosas.

Se ha presentado un gran número de propuestas para explicar la energía oscura (que siguen aumentando aceleradamente, como el universo), y para discriminar entre ellas se requiere de una nueva generación de sondeos observacionales que puedan determinar con mejor exactitud la expansión del universo a través del tiempo. Con el descubrimiento de la energía oscura, los astrónomos han abierto una caja de Pandora en la cosmología, astronomía y física de partículas. Les toca posiblemente ahora cerrarla. Por ello, varios de los grandes proyectos astronómicos más ambiciosos y costosos de los siguientes años están enfocados a medir con precisión la historia de la expansión del universo, así como los diversos parámetros cosmológicos.

*Centro de Radioastronomía y Astrofísica, UNAM, campus Morelia. [regresar]

Rocío Jáuregui Renaud *

El avance de las ciencias básicas en el siglo pasado fue de la mano de desarrollos tecnológicos que no sólo hicieron más cómoda nuestra vida cotidiana sino que agilizaron la obtención, entendimiento e intercambio de información sobre todo aquello que nos rodea. La física jugó un papel protagonista en estos desarrollos y también es partícipe de las ventajas de estos adelantos. El siglo XX se inició con revuelo, ya que al menos tres revoluciones conceptuales lo acompañaron, dando origen a la física cuántica, la física relativista y la física estadística. El siglo XXI empieza con grandes expectativas pues, hoy como nunca, es posible estudiar con altísima precisión fenómenos físicos que involucran escalas espaciales tan pequeñas como aquellas en que las partículas elementales manifiestan sus transformaciones y tan grandes como las escalas astronómicas. Los sistemas a escalas intermedias pueden ser controlados átomo por átomo; se diseñan sistemas artificiales a temperaturas muy cercanas al cero absoluto; las nanociencias proporcionan las bases para el estudio, la generación y desarrollo de sistemas útiles en ramas tan amplias como la óptica, la biología y la medicina; sistemas cuasi bidimensionales y sistemas desordenados son base para el diseño de materiales con cualidades sorprendentes; los campos eléctricos y magnéticos se detectan, generan y controlan a muy bajas y muy altas intensidades. Es decir, la física del siglo XXI es de amplio horizonte y con retos en todas las direcciones. En los próximos párrafos se presenta un resumen de algunos de los aspectos que la comunidad ha identificado como especialmente importantes. Gran parte de esta información da seguimiento a los análisis realizados a principios de este milenio por instituciones como la International Union of Pure and Applied Physics. Con el propósito de una mayor claridad, se desglosan por área los temas que involucra la física en la actualidad.