La respuesta está oculta en lo que se ha dado en llamar el lado oscuro del universo, que es también el título de la conferencia que impartió el 8 de mayo, en la sede madrileña de la Fundación BBVA, dentro del ciclo La ciencia del cosmos, la ciencia en el cosmos. Esta cosmóloga, catedrática de Astrofísica en la Universidad de Edimburgo (Escocia), explicó cómo se investiga ese universo oscuro, su relación con la misteriosa aceleración y por qué ella está convencida de que “vamos a necesitar una nueva física que cambiará para siempre nuestra visión del cosmos”.

En realidad, casi todo el universo, el 95%, es oscuro. En un doble sentido: oscuro porque no brilla ni en general se detecta directamente, y oscuro porque se desconoce su naturaleza. Un grado de desconocimiento que conmueve profundamente a Heymans: “¡No entendemos de qué está hecho el 95% del universo!”, exclama. Esa cifra proviene de las mediciones que han determinado la cantidad total de materia y energía que contiene el universo. Numerosas observaciones independientes a lo largo de las pasadas décadas han generado un inventario hoy plenamente aceptado por los investigadores, en el que la  materia normal, la que integra los planetas, cuerpos, estrellas… la que vemos brillar en otras galaxias, representa apenas el 5%. El resto está en forma de energía y materia oscuras, que no podemos detectar directamente y cuya naturaleza desconocemos. “Este hecho te hace cuestionar las ideas más fundamentales de la física”, dice esta cosmóloga.

Pese a su común apellido, la materia y la energía oscuras son fenómenos distintos. La materia oscura se descubrió en los años setenta del pasado siglo; midiendo el movimiento de estrellas en otras galaxias, se observó que la materia que brilla –la normal– se comporta como si estuviera rodeada por mucha más materia que indudablemente está ahí, pero que los telescopios son incapaces de detectar: materia oscura. No emite luz, pero ejerce atracción gravitatoria.

La energía oscura es “una bestia diferente”, explica Heymans. Hasta su descubrimiento, los astrónomos creían que la expansión del universo era producto del potente big bang en que se originó todo; se aceptaba que en algún momento esa expansión acabaría, frenada por el efecto contrario de la fuerza de gravedad que liga entre sí la materia. Pero minuciosas medidas de velocidades de galaxias muy lejanas dejaron claro que la expansión no se está frenando, sino todo lo contrario. ¿A qué se debía esa inesperada aceleración? Los cosmólogos, faltos de respuestas, postularon la existencia de algo que de alguna forma crea cada vez más espacio entre las galaxias, y lo llamaron energía oscura.

Entrevista a Catherine Heymans: 'En la próxima década lograremos un gran avance para entender la materia oscura'

Para Heymans, todos los modelos disponibles hoy para explicar tanto la materia como la energía oscuras son, cuando menos, “poco satisfactorios”. Las búsquedas de un nuevo tipo de partícula candidata a partícula de materia oscura no han tenido éxito todavía, y los científicos implicados en ellos “deben de estar un poco preocupados”, dice Heymans. Se refiere al trabajo de los físicos de partículas en el acelerador LHC del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), y en los grandes detectores subterráneos, construidos para percibir el hipotético rastro que algunas partículas de materia oscura podrían dejar, quizás, a su paso por la Tierra.

Respecto a la energía oscura la situación es casi peor, porque “nos gustaría tener al menos un buen modelo que explicara por qué debe existir esta energía oscura, y no lo tenemos”, afirma Heymans. A ella no le convence –“no la entiendo bien”, dice–, la idea de que podría haber una quinta fuerza, la quintaesencia, que se sumaría a las cuatro fuerzas fundamentales de la física ya conocidas. Lo que lleva a Heymans a otra de las hipótesis que se barajan: que la fuerza de la gravedad cambie a lo largo del tiempo.

“Es una idea un tanto herética”, explica, “porque la fuerza de la gravedad ha superado todas las pruebas en nuestro Sistema Solar, y funciona perfectamente: predice con exactitud la órbita de los planetas, los eclipses… Pero es cierto que el universo es muy grande, y que la fuerza de la gravedad no ha sido puesta a prueba a grandes distancias. Tal vez no sea una constante, y cambie con el tiempo”.

Lo observado por KiDS hasta ahora es que la materia oscura parece ser menos densa de lo que se pensaba, y está distribuida más uniformemente en el espacio

¿Cómo averiguarlo? Según Heymans, en la situación actual solo hay un camino: conseguir más datos. Por ejemplo, los cosmólogos pueden saber si el valor de la energía oscura es constante o no midiendo la velocidad de millones de galaxias a diferentes distancias, lo que en astrofísica equivale a explorar distintas épocas –cuanto más lejos se observa, más atrás se retrocede en el tiempo–. Algo similar ocurre con la fuerza de la gravedad. Pero las observaciones capaces de responder esas preguntas no son sencillas, explica Heymans: “Los efectos que buscamos son tan, tan pequeños, que necesitamos programas de observación muy sensibles. Lo emocionante es que por primera vez tenemos la tecnología para llevarlos a cabo: grandes telescopios basados en tierra y en el espacio, y capacidad de computación para analizar las cantidades enormes de datos que nos están  proporcionando. Sin duda es un momento emocionante para la cosmología”.

Las “buenas noticias” del proyecto KIDs

Heymans co-lidera uno de estos grandes programas de observación, llamado KIDs (Kilo-Degree Survey), iniciado en 2012. Sus resultados preliminares, publicados hace solo unos meses, trajeron lo que Heymans considera “buenas noticias”, precisamente porque no encajan bien con lo que se sabía hasta ahora: “Podría ser un indicio hacia algo nuevo”. KiDS ha observado durante años con telescopios del Observatorio Europeo Austral (ESO), en Chile, una región del cielo equivalente a  lo que ocupan 2.200 lunas llenas, poblada por 15 millones de galaxias. El objetivo es buscar materia oscura usando lentes gravitacionales, un fenómeno predicho por Albert Einstein –que sin embargo nunca creyó que fuera posible detectarlas–.

Como indica la teoría general de la relatividad, las grandes acumulaciones de materia –oscura o visible– deforman el espacio-tiempo, y al viajar por él la luz también describe una trayectoria curva; como resultado, el receptor de esa luz ve una imagen distorsionada. Los astrofísicos sacan partido al fenómeno: han aprendido a saber cómo de distorsionada está la imagen que observan, y así consiguen desenmascarar la materia oscura.

Lo observado por KiDS hasta ahora es que la materia oscura parece ser menos densa de lo que se pensaba, y estar distribuida más uniformemente en el espacio. Es un dato importante para entender también la energía oscura, porque es la fuerza repulsiva de esta energía lo que determina la facilidad con que se aglomera la materia. Hasta ahora, los datos más precisos al respecto, de 2014, provenían del satélite europeo Planck. La discrepancia entre KiDS y Planck “es significativa”, dice Heymans, y prodría ser la primera brecha en el muro del universo oscuro. La cosmóloga está convencida de que “se necesita una nueva física” que genere una revolución similar a las que hace un siglo provocaron la relatividad general y la mecánica cuántica. “Necesitamos muchas ideas nuevas y buenas, y también más observaciones. Una mezcla de genialidad y datos”.

Heymans está implicada también en la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea (ESA), también para investigar  el universo oscuro. Pero en este momento tiene una preocupación adicional: el Brexit. “Toda mi carrera ha sido financiada a través de programas europeos. ¿Qué pasará en el futuro? Hay una gran incertidumbre”.

Biografía

Catherine Heymans es catedrática de Astrofísica en la Universidad de Edimburgo (Escocia) y fellow del Consejo Europeo de Investigación (ERC). Tras su doctorado en la Universidad de Oxford en el año 2003, ha sido fellow del Instituto Max Planck y del Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica.

Sus estudios se centran en la observación del lado oscuro de nuestro universo y, actualmente, colidera el equipo de análisis del sondeo KiDS (Kilo-Degree Survey) del Observatorio Europeo Austral (ESO), que observa el cielo profundo para probar si necesitamos trascender la teoría de Einstein con nuestra teoría de la gravedad actual. Es una activa divulgadora de la cosmología, en conferencias -es autora de una charla TED-, artículos y libros. Uno de ellos, ‘The Dark Universe’, acaba de ser publicado por The Institute of Physics (IOP), y está accesible gratuitamente en este enlace.