"La energía oscura es repulsión gravitatoria"

Juan García-Bellido Capdevila recuerda exactamente cuándo surgió su fascinación por el universo y decidió que su vocación era investigarlo. Fue a los 14 años -ahora tiene 39-, cuando leyó el libro Universo, de Isaac Asimov. Al optar por la física, se convirtió en "la oveja negra", dice, en una familia de biólogos -su padre, su madre y sus tres hermanos-. Profesor de la Universidad Autónoma de Madrid, físico de partículas, García-Bellido es cosmólogo teórico y se dedica a explorar en el Big Bang aquel instante del universo primitivo en que una ignota energía inicial se convirtió en radiación.

Pregunta. ¿Puede contarme la historia del universo según lo que saben ahora los científicos?

"La expansión del universo iba frenándose, pero algo empezó a ser dominante y se aceleró"

"La inflación es equivalente a que una canica crezca de repente hasta el tamaño de todo el universo"

Respuesta. Podría haber un momento inicial regido por la gravedad cuántica en el que se originó el universo. Pero no tenemos pruebas de ese inicio, así que son especulaciones. De lo que pasó inmediatamente, y estamos hablando de las primeras fracciones minúsculas de segundo, podríamos tener hoy día algunos indicios: la época inflacionaria.

P. ¿Cómo sería?

R. La idea es que una cierta densidad de energía, cuyo origen y naturaleza no conocemos aún, provocó una tremenda expansión del universo, y en una fracción de segundo pasó de ser un objeto microscópico dominado por la mecánica cuántica a tener una escala macroscópica, del orden de centímetros.

P. ¿La inflación es la frontera a partir de la cual se convierte en el cosmos que vemos?

R. Sí. Sería la fase intermedia entre un origen cuántico y una realidad regida fundamentalmente por la física clásica.

P. El Big Bang no es una gran explosión dentro de un espacio preexistente.

R. No es una explosión y, desde luego, no es nada dentro del espacio-tiempo, sino que es el propio espacio-tiempo el que se va creando al expandirse.

P. La inflación se ideó hace 20 años. ¿Sigue sin comprobarse?

R. Hay indicios de que en el universo muy primitivo ocurrió un crecimiento exponencial. Pero dentro de este esquema general hay muchos modelos posibles de inflación, aunque cada uno hace predicciones concretas que podemos comprobar experimentalmente. Creo que se logrará probar la inflación con la detección de las ondas gravitacionales que genera; en unos diez años habrá equipos capaces de hacerlo.

P. ¿Seguimos con la historia del universo?

R. Después de la inflación, el cosmos ya tiene un tamaño respetable, aunque sigue siendo muy pequeño: algunas fracciones de centímetro. La inflación es algo equivalente a que una canica crezca de repente hasta el tamaño de todo el universo observable hoy día. Cuando el cosmos tiene ya tamaño macroscópico, la energía se convierte en radiación, en partículas elementales. En realidad, la teoría del Big Bang desarrollada en los últimos 60 años empieza en ese momento, al final de la inflación.

P. ¿De dónde sale toda esa energía inicial?

R. No lo sabemos, es un nivel de energía muy superior al que podemos ahora explorar con nuestros aceleradores de partículas.

P. Estábamos en el universo ya macroscópico.

R. Así es, y se va enfriando a medida que se expande -ya normalmente, no de modo inflacionario-. Se forman los quarks (las partículas fundamentales del núcleo atómico), los gluones, los fotones... Desde ese momento hasta ahora tenemos la historia bastante clara, desde el primer segundo de un universo que tiene 13.600 millones de años. En aquel tiempo las temperaturas eran muy altas y las reacciones nucleares muy activas, pero poco después se empezaron a unir neutrones y protones formando los primeros núcleos atómicos de los elementos ligeros, cuya abundancia relativa se ha medido con bastante precisión. Más tarde el universo se enfría lo suficiente como para que los electrones se unan a los núcleos formando átomos; ya no hay electrones libres y el universo, que tenía unos 400.000 años, se hace transparente. Los fotones emitidos entonces nos llegan ahora como radiación de fondo.

P. ¿Y las estrellas y galaxias?

R. En el momento de emisión de esa radiación de fondo había unos ligerísimos grumos de materia que aumentaron de densidad y dieron lugar a las primeras estrellas, hace unos 13.000 millones de años. Es posible que surgieran también agujeros negros supermasivos, y se formaran las galaxias, que luego se fueron agrupando en cúmulos. El universo siguió expandiéndose. Pero hay algo más: sabemos, por la distribución de materia en los cúmulos y por las velocidades de rotación de las galaxias, que algo invisible está actuando gravitacionalmente.

P. ¿La materia oscura?

R. Sí. Es todo un dilema porque no conocemos su naturaleza. Podría tratarse de partículas exóticas que se crearon al final de la inflación... La materia oscura supone un 25% de todo lo que existe, y sólo un 5% es materia normal, de la que están hechas estrellas y planetas y nosotros...

P. ¿Y el resto del universo?

R. Todo lo que he descrito hasta ahora se está expandiendo, y creíamos que debería hacerlo cada vez más despacio, por la atracción gravitatoria, igual que al lanzar una pelota al aire sube, cada vez más despacio, hasta que se para y empieza a caer. Pero en 1998, dos grupos independientes observaron que objetos luminosos muy intensos, las supernovas de tipo Ia, situadas a cientos de millones de años luz de nosotros, se veían con menos luminosidad de lo que deberían dada su distancia, si la expansión del universo estuviera frenándose. Por ello dedujeron que estaba acelerándose.

P. Se planteó que podía haber polvo debilitando su luz.

R. Sí, pero se estudiaron otras supernovas mucho más lejanas y se comprobó que a distancias mayores, que corresponden al universo algo más joven, la expansión era decelerada. En resumen: la expansión del universo iba frenándose, pero en un momento algo empezó a ser dominante y se aceleró. Y se ha medido cuándo: ese cambio se produjo hace unos 5.000 o 6.000 millones de años.

P. ¿Por qué esa aceleración?

R. Todavía no lo sabemos. Es la llamada energía oscura. La hipótesis más sencilla es que se trata de la constante cosmológica que Einstein introdujo en su teoría de la relatividad para ajustarla y obtener un universo estático, respondiendo así a sus prejuicios clásicos de un cosmos estable. Pero luego se descubrió que está en expansión, y ya no hacía falta.

P. ¿Qué sería esa energía oscura o constante cosmológica?

R. Una repulsión gravitacional, en lugar de atracción; por eso acelera la expansión. Tiene una densidad de energía constante, por lo que se hace evidente en el universo a partir de un cierto momento, cuando ha aumentado su volumen, y no antes. Entonces se aprecia la aceleración.

P. ¿La energía oscura es el 70% del cosmos, que se añade a la materia común y a la materia oscura?

R. Cierto. Pero con esto no estamos más que etiquetando nuestra ignorancia, aunque cada día tenemos mayor precisión en las medidas. No conocemos la naturaleza de la energía oscura, lo único que podemos hacer por ahora es estudiar sus consecuencias.

P. ¿Se han hecho más observaciones de la aceleración?

R. Sí, en la radiación de fondo, donde quedaron plasmadas pequeñas inhomogeneidades, cuya evolución en el tiempo informa acerca de esa energía oscura. Y ahora hay dos proyectos para observarla mejor. Uno es un satélite para estudiar varios miles de supernovas. Otro es el Dark Energy Survey, una propuesta en la que participa un grupo español, para observar supernovas, pero también la radiación de fondo y la distribución de materia en el universo.

P. ¿Cuánto tardarán en descifrar la energía oscura, 10 años?

R. Es posible que mucho más, que tengamos que esperar a tener nuevos conocimientos fundamentales de gravitación cuántica para desvelar su naturaleza.