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Entrevista

Nicholas Suntzeff: Un observador del Universo lejano

Uno de los descubridores de la expansión acelerada del Cosmos se refiere al desafío de hallar pistas acerca de qué es la misteriosa energía oscura

Léo Ramos Chaves Nicholas Suntzeff colabora con el principal proyecto de observación a gran escala del Cosmos: el Dark Energy SurveyLéo Ramos Chaves

El astrónomo estadounidense Nicholas Suntzeff, investigador de la Universidad de Texas A&M, Estados Unidos, observa estrellas lejanas que explotan desde hace más de 30 años. En 1986, él y colaboradores del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO), en Chile, demostraron cómo había que utilizar el brillo de un tipo especial de explosión estelar, las supernovas tipo Ia, para medir con precisión la distancia de galaxias que se encuentran casi en el límite del Universo.

Estas mediciones llevaron al descubrimiento en 1998 de que el Universo se encuentra en expansión acelerada. Esto significa que las galaxias están apartándose unas de otras a velocidades cada vez mayores. Hasta ese momento, la mayoría de los astrónomos estaban de acuerdo con la idea de que ese alejamiento, que empezó hace poco más de 13 mil millones de años, tras el Big Bang, la explosión que habría generado el Cosmos, estaría produciéndose a velocidades decrecientes. La causa de la desaceleración sería la atracción gravitacional que los cúmulos de galaxias, las mayores estructuras encontradas en el Universo, ejercen entre sí.

Tanto las observaciones a cargo del equipo de Suntzeff y del astrónomo australiano Brian Schimdt, como las del equipo competidor, dirigido por el estadounidense Saul Perlmutter, sugerían lo contrario: con el tiempo, el espacio entre las galaxias se expandía en forma acelerada. A causa de este hallazgo, Perlmutter, Schmidt y Adan Riess fueron laureados con el Nobel de Física de 2011.

Confirmado por observaciones posteriores, este descubrimiento transformó la cosmología. En la actualidad los científicos del área solamente logran explicar la estructura actual del Cosmos cuando tienen en cuenta la expansión acelerada y atribuyen ese efecto a la existencia de la energía oscura.

Si nos hubiésemos equivocado al medir la distancia de las supernovas, las mediciones con otras técnicas no llevarían a la misma conclusión

En caso de que la energía oscura –que repelería a la materia, al contrario de la fuerza gravitacional– exista efectivamente y sea responsable de la expansión acelerada, aún restarán preguntas por responderse. Nadie sabe qué es. Algunos modelos teóricos postulan que sería una forma de energía intrínseca del espacio vacío, denominada constante cosmológica. Otros sugieren que es una quinta fuerza fundamental, distinta a las otras cuatro que la física conoce: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

Para descubrir cuál de estas propuestas explica mejor el Universo, los físicos deben hacer mediciones más precisas de las distancias entre las galaxias. El problema reside en que aún no se sabe qué nivel de precisión sería necesario alcanzar como para eliminar algunas hipótesis. Suntzeff colabora con el principal proyecto de observación del Universo a gran escala actualmente en marcha: el Dark Energy Survey (DES), y en los proyectos de construcción del telescopio espacial Wilde Field Infrared Survey Telescope (Wfirst) de la NASA, y del Large Synoptic Survey Telescope (LSST), en Chile. En el mes de julio, disertó en seminarios en la Universidad de São Paulo (USP), en la ciudad de São Carlos, y en el Instituto Sudamericano de Investigación Fundamental del Centro Internacional de Física Teórica (ICTP-SAIFR), que funciona en São Paulo, en el Instituto de Física Teórica de la Universidade Estadual Paulista (Unesp). A continuación, la entrevista que Suntzeff le concedió a Pesquisa FAPESP.

¿Cómo fue eso de descubrir que el Universo se encuentra en expansión acelerada?
Fue algo inesperado. El objetivo era medir una desaceleración en la expansión del Universo. Esperábamos un número positivo para la desaceleración, pero medimos un valor negativo. Y nos entusiasmamos. Yo estaba a cargo de las observaciones. Los otros investigadores venían a mí para saber si el telescopio estaba funcionando bien y si los instrumentos estaban calibrados. Mi firma aseguraba la calidad de los datos. La mayor preocupación consistía en saber si se había cometido algún error que pudiera resultar en una información engañosa. El grupo de Saul Perlmutter también estaba en Cerro Tololo realizando las mismas mediciones que nosotros, con el mismo telescopio y con los mismos instrumentos. Yo los ayudaba una noche y a la noche siguiente tomaba datos para mi equipo. Había una competencia científica, no personal. Simpatizábamos con ellos. Y ellos llegaron al mismo resultado que nosotros.

¿Qué es esa energía oscura que causa la expansión acelerada del Universo?
La energía oscura es una terminología que empleamos para darle nombre a algo que no entendemos. A mí no me gusta. No medimos la energía oscura. Nuestras mediciones mostraron que las supernovas, cuyo brillo intrínseco conocemos, están mucho más lejos de lo que sería esperable si el Universo estuviese hecho solamente de materia. Cuanto mayor es la cantidad de materia del Universo, más cerca de nosotros deberían estar. Pero su brillo es un 20% más débil de lo que debería ser. Ese fue el descubrimiento.

¿Y qué explicaría ese resultado?
La primera interpretación indica que si están más lejos de lo que deberían estar, y en caso de que estuviesen únicamente bajo el influjo de la fuerza gravitacional, algo las debe haber empujado contra la gravedad. Una especie de antigravedad debe haberlas alejado así. La única forma aceptable de producir una antigravedad en la teoría de la relatividad general consiste en añadir a las ecuaciones de Einstein un término constante: la llamada constante cosmológica. ¿Qué fenómeno justificaría la existencia de la constante cosmológica? No lo sabemos. Quizá sea consecuencia de las mismas fluctuaciones en la energía del vacío que hacen surgir las partículas elementales. Con base en esa idea, el físico Michael Turner, de la Universidad de Chicago, acuñó la noción de energía oscura. Una noción que no me gusta, pues introduce un sesgo en el modo de pensar una explicación para el fenómeno. Medimos que las galaxias alejadas están mucho más lejos de lo que deberían. Una constante cosmológica y las fluctuaciones en el vacío son interpretaciones para lo que observamos. Creo que mis datos son correctos porque otros experimentos, mediante el empleo de técnicas distintas, llegaron a lo mismo.

NASA/ ESA/ THE Hubble Key Project Tean y The High-Z Supernova Search Team Imagen de la supernova SN 1994D, abajo a la izquierda, uno de los objetos que estudió el astrofísicoNASA/ ESA/ THE Hubble Key Project Tean y The High-Z Supernova Search Team

¿Cuáles son?
Existen cuatro técnicas. Aparte de medir la distancia de las supernovas, podemos buscar pequeñas distorsiones en las imágenes de galaxias muy lejanas. La luz proveniente de esas galaxias atraviesa el Universo y es distorsionada por la masa de cúmulos de galaxias del camino. Es la llamada lente gravitacional. Las lentes gravitacionales permiten medir de qué manera el efecto acumulado de la masa y de la energía del Universo afecta su expansión. Otra técnica consiste en examinar la estructura a gran escala, es decir, la forma y el tamaño de los cúmulos de galaxias, y medir cuánto la expansión acelerada del Universo dificulta la formación de los cúmulos debido a la atracción gravitacional entre las galaxias. También está el método con el cual se investigan las oscilaciones acústicas bariónicas. Son ondas en el gas ionizado que ocupaba el universo primordial y que 300 mil años después del Big Bang originaron la radiación cósmica de fondo, una forma de radiación situada en el rango de las microondas que permea el Universo. Esas oscilaciones dejaron marcas circulares, con 400 mil años luz de radio, en la distribución de temperatura de la radiación cósmica de fondo. Esos círculos se expandieron con el Universo y tuvieron influjo sobre la formación de galaxias, y actualmente tienen 500 millones de años luz. En el Universo actual observamos un pequeño incremento en la probabilidad de que una galaxia tenga vecinas a una distancia de 500 millones de años luz. Es necesario observar millones de galaxias para notar ese aumento de probabilidades, que es sumamente tenue. La comparación de la distribución de las manchas en la radiación cósmica de fondo con la distribución de las galaxias suministra una estimación precisa de la cantidad de energía oscura. Resulta maravilloso el hecho de que todos los métodos dan el mismo resultado. Si hubiésemos cometido errores al medir la distancia de las supernovas, las mediciones mediante el empleo de las otras técnicas no permitirían llegar a la misma conclusión. Cuando los resultados de la estructura a gran escala empezaron a llegar, años después de nuestras mediciones, tuve la certeza de que no nos habíamos engañado.

¿Qué nivel de precisión deberían alcanzar las mediciones como para saber qué teoría explicaría mejor qué es la energía oscura?
La energía de las fluctuaciones en el vacío prevista en la teoría cuántica de campos no coincide con lo que vemos. Predice valores enormes, y observamos un valor muy pequeño. La energía oscura, sea lo que sea, tiene un efecto despreciable a pequeñas escalas y es casi imposible medirla en un laboratorio en la Tierra. Es su efecto acumulado por todo el espacio lo que la hace dominar la dinámica del Universo. Los físicos no tienen ni idea de cuál sería el valor de la constante cosmológica, por eso no saben decir con qué nivel de precisión deberíamos medir la expansión del Universo. Sin un valor teórico, no hay con qué comparar los datos de las observaciones ni decir si un determinado modelo es correcto. Los físicos nos piden que hagamos mediciones con la mayor precisión posible. Y lo hacemos; pero, ¿qué vamos a testear? Ellos necesitan decirnos cuál es el nivel de precisión que debe alcanzarse en las mediciones como para que se empiece a ver un desvío entre los valores previstos para la constante cosmológica y los que se miden. El aumento de la precisión es cada vez más difícil. Pretendo poner a prueba alguna teoría y no dedicarme a una búsqueda ilimitada de mediciones cada vez más precisas. Un resultado interesante consistiría en mostrar que el aumento del ritmo de expansión del Universo no es constante en el transcurso del tiempo. Esto no indicaría qué es la energía oscura, pero mostraría que necesitamos una nueva teoría de la física para explicarla. Mientras exista la posibilidad de que sea una constante cosmológica, no podemos adjudicarle ese efecto a una fuerza desconocida.

¿Cómo surgió su interés por la cosmología?
Luego del doctorado fui a trabajar al Observatorio Palomar, en Monte Wilson, California. Pretendía estudiar la estructura de la Vía Láctea y entender de qué manera se formó nuestra galaxia con base en observaciones de sus estrellas más antiguas. Uno de los astrónomos del observatorio, Allan Sandage [1926-2010], se interesó en las estrellas que yo observaba porque él las utilizaba en sus estudios cosmológicos. Sandage había sido asistente de Edwin Hubble [1889-1953], el primero que midió la tasa de expansión del Universo en 1929, la llamada constante de Hubble. Sandage era el principal cosmólogo observacional en esa época. Yo nunca había pensado en trabajar con cosmología, pero al conocernos mejor, él me alentó diciéndome que en última instancia, todo se resumía a hacer cosmología y, a su juicio, sólo había dos números importantes que debían medirse: la constante de Hubble y la tasa de desaceleración de la expansión del Universo. Su objetivo de vida era medir esas dos magnitudes. En esa época, yo no me creía lo suficientemente inteligente como para hacer lo que Sandage hacía. Pasé muchas noches con  él en el observatorio de Las Campanas. Durante las noches nubladas empecé a estudiar la literatura y a conversar con Sandage sobre cosmología. Me di cuenta de que no era tan difícil y que yo podría actuar en esa área. Trabajamos juntos cuando él empezó a valerse de las supernovas para medir la desaceleración del Universo. Pero eso no prosperó. Cuando fui a Cerro Tololo,  él me dijo: “Nick, estás yendo a ese otro observatorio donde desarrollarás nuevos detectores digitales. Deberías usar las supernovas para medir la desaceleración del Universo”. Un amigo cercano, Mark Phillips, con quien estudié en el posgrado, trabajaba en Cerro Tololo con supernovas y empezamos a colaborar. Fue así que la cosa despegó. Cuando finalmente medimos la desaceleración, que a decir verdad se reveló como una aceleración, Sandage se enojó.

¿Cómo que se enojó?
Y, a lo mejor fue la envidia. Sandage había obtenido el valor de la constante de Hubble, pero no logró medir la tasa de desaceleración. Cuando publicamos nuestros datos, en 1998, él empezó a criticarnos y a buscar fisuras en nuestro argumento. Creo que confiaba en nuestro resultado, pero deseaba que hubiese sido él quien lo hubiese obtenido. En esa misma época publiqué un nuevo valor para la constante de Hubble, con el cual también el disintió. Me escribió una carta diciéndome que estaba decepcionado, que la calidad de mi trabajo había decaído y que yo había cedido ante el diablo. Afirmaba que aquélla sería nuestra última conversación. No me habló más durante diez años, hasta que se convenció de que estábamos en lo cierto. Después me escribió otra carta en la que me dijo: “Nick, ése fue el mayor error que cometí en mi vida; perdóname por haberte escrito aquella carta. Creo que hiciste un gran trabajo y me enorgullezco de ti”. Es un absurdo que la relación entre dos personas pueda depender del valor de la tasa de expansión del Universo, pero esas mediciones eran importantes para él.

Su familia posee una historia poco común. Su abuelo era dueño de una fábrica de armas en la Rusia zarista y huyó del país durante la Revolución Rusa.
Crecí en San Francisco, en California. Todos mis parientes hablaban ruso. Tenía un tío que se vestía con un uniforme cosaco, totalmente inapropiado para San Francisco. Era una chaqueta roja con botones de latón, botas hasta las rodillas y espuelas, como si en cualquier momento fuese a montar a caballo. Parecía que recién se había bajado del escenario de una ópera. Yo me moría de miedo de que me vieran en la calle al lado de él. Quería ser un adolescente normal. Sólo más tarde me di cuenta de cuán maravillosas eran esas personas y empecé a valorar la historia de la familia.

¿Siempre le fascinaron los observatorios?
Al principio quería ser matemático. Me gradué en matemática en la Universidad de Stanford, en California. Después decidí que no era un matemático lo suficientemente bueno. Pero siempre fui bueno para hacer experimentos y siempre me gustó construir cosas. Con un compañero de la carrera, Michael Kast construimos el Observatorio Estudiantil de Stanford, que aún está en funcionamiento. Por eso hice un posgrado en física experimental allá. El fuerte de Stanford eran los aceleradores de partículas, pero no me agradó la cultura del departamento, gente que creía saber más que todo el mundo. Cuando decidí cursar el doctorado en astronomía, el jefe del Departamento de Física se horrorizó. Me dijo que los físicos de Stanford no iban a la astronomía, un área para físicos fracasados. Ese ego de los físicos experimentales no me gustaba. Ahora sé que estaba engañado. Tengo muchos amigos físicos experimentales, gente muy buena. La verdad es que no me daba bien con aquella gente y fui a hacer mi doctorado en astronomía en la Universidad de California, en Santa Cruz.