Premio Nobel de Física 2019: cosmología y exoplanetas

Niklas Elmehed © Nobel Media

La Kungl. Vetenskapsakademien, la Real Academia de las Ciencias de Suecia, ha concedido el “Premio Nobel de Física” 2019 a James Peebles, Michel Mayor y Didier Queloz, por “contribuir a nuestra comprensión de la evolución del Universo y del lugar que ocupa la Tierra en el cosmos”.

COSMOLOGÍA FÍSICA

El canadiense James Peebles, ya estadounidense en todos los sentidos, profesor emérito de la Universidad de Princeton, ha conseguido llevar la cosmología de lo puramente teórico a algo medible, de modo que se pueda hablar de cosmología física. La cosmología estudia el origen, la evolución y la conformación del universo y, para hacerlo, utiliza herramientas fascinantes, como la teoría de la relatividad.

Radiación cósmica de fondo de microondas

El nudo fundamental es el estudio de la radiación cósmica de fondo de microondas (CMBR, por sus siglas en inglés). Se parte de la premisa de que, obviamente, no podemos saber qué desencadenó el archiconocido Big Bang. La hipótesis sobre los momentos siguientes se refiere a una especie de crisol de partículas, mantenidas juntas por temperaturas altísimas, lo que los anglosajones llaman “sopa primordial”. Tras unos 400 000 años, debido a un enfriamiento progresivo, los fotones, que no son más que partículas, lograron escapar de la sopa primordial, creando el primer rayo de luz del universo. Pues bien, este rayo sigue presente de algún modo y puede detectarse, al ser una radiación (no visible), con una longitud de onda de unos pocos milímetros y una frecuencia en la banda de las microondas.

Peebles, Nobel 2019 “por los descubrimientos teóricos en cosmología física”.

El profesor Peebles lo predijo todo a nivel analítico. Más tarde, esta radiación fue captada realmente, aunque por pura casualidad. Peebles comprendió que la temperatura de la CMBR podía proporcionarnos información sobre el proceso de liberación de fotones y otras partículas después del Big Bang y, por tanto, sobre el nacimiento del universo: la cosmología ya no era algo puramente teórico, podía utilizar datos para estudiar y cantidades para medir.

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Según la “Teoría de la Relatividad General” de Albert Einstein, la geometría del universo tiene que ver con la gravedad. Olvidemos la definición de gravedad y veamos cómo es nuestro universo. ¿Es un balón de fútbol? ¿Tiene forma de rosquilla? Según Einstein, cuanta más masa (y, por tanto, energía) hay en el Universo, más tiende a curvarse. Sin embargo, existe un valor crítico de masa y energía para el cual el Universo puede considerarse plano. ¿Qué significa plano? Digámoslo así: se cumple la famosa definición de las rectas paralelas.

Universo plano

Las mediciones de temperatura de la CMBR, de las que hablaba Peebles, nos dieron una afirmación extraordinaria: puesto que la CMBR ha asumido una cierta temperatura a lo largo del tiempo, el universo solo puede ser plano. Cabe esperar, por tanto, una masa total presente en el Universo tal que se alcance el famoso valor crítico previsto por la relatividad. Por desgracia, las cuentas no salen: falta masa. La materia bariónica (es decir, la “ordinaria”, que emite radiaciones y por eso es identificable) equivale solo al 5 % del cómputo total que esperaríamos. Hay después un buen 26 % constituido por la llamada “materia oscura” (que no emite radiaciones y, por tanto, solo es detectable por sus efectos gravitatorios). Impide, cálculos en mano, que las galaxias implosionen. Estamos en el 31 %; falta aproximadamente un 69 % de materia (es decir, de masa) necesario para alcanzar ese valor crítico que, repetimos, ha sido verificado experimentalmente: ese 69 % tiene que existir por fuerza.

Energía oscura

Peebles introdujo entonces el concepto de “energía oscura”, o energía del espacio vacío. Con ella las cuentas salen a la luz. Recordemos que, según Einstein, masa y energía son dos caras de la misma moneda. El espacio tiene una energía intrínseca, determinada por las fluctuaciones del vacío. Ojo, estas fluctuaciones son detectables, no hablamos de hipótesis. La famosa “constante cosmológica” de Einstein (su “mayor error”), aunque con una interpretación distinta, podría volver a considerarse ahora en las ecuaciones, asumiendo el significado de “energía del vacío”. La profesora Suzanne Staggs, de Princeton, resumió bien el trabajo de Jim Peebles: “[…] siempre tuvo el equivalente a la visión de un satélite, pero sobre todo el universo”.

LA BÚSQUEDA DE EXOPLANETAS

Michel Mayor y Didier Queloz, profesores de la Universidad de Ginebra, descubrieron el primer planeta en órbita alrededor de una estrella similar al Sol (estrellas de la secuencia principal, también conocidas como “estrellas enanas”). Se trata de 51 Pegasi b, a 50 años luz de la Tierra, un gemelo de nuestro Júpiter, pero a solo 8 millones de kilómetros de su estrella. Despejemos cualquier duda: exoplaneta significa simplemente “planeta que no pertenece al sistema solar”. Entonces, ¿cómo podemos encontrar exoplanetas si no emiten luz propia? El trabajo de Mayor y Queloz responde a esta pregunta.

Mayor y Queloz, Nobel 2019 “por el descubrimiento de un exoplaneta en órbita alrededor de una estrella de tipo solar”

Planetas y efecto Doppler

Los dos estudiosos partieron de un concepto nada trivial: así como un planeta se mueve alrededor de una estrella, también la estrella se mueve, aunque sea mínimamente, influida por el planeta que gira a su alrededor. Este movimiento puede medirse, obteniendo una magnitud física conocida como “velocidad radial”, es decir, la velocidad de variación de la distancia estrella-planeta. ¿Cómo se mide la velocidad radial?

Tomemos una onda (una radiación que se propaga) y su fuente. Si esta fuente se mueve, el observador la percibe de forma distorsionada (es decir, variable respecto al valor real): es el famoso efecto Doppler. Piense en una ambulancia que pasa a toda velocidad mientras usted está en el sofá de su casa: la onda sonora producida por la sirena varía al acercarse y vuelve a variar cuando se aleja. La luz de las estrellas se comporta del mismo modo. Gracias al efecto Doppler podemos estudiar la velocidad radial, con la que podemos estar seguros de que alrededor de la estrella orbita un planeta, siendo el planeta la causa del efecto detectado.

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Con el método que acabamos de describir es posible determinar la masa del planeta. Para determinar las dimensiones se utiliza, en cambio, el método de la “fotometría de tránsito”. Cuando un planeta se interpone entre la estrella y nuestros telescopios, la intensidad luminosa disminuye y, en proporción a ella, podemos determinar el tamaño del planeta. Existen también otros métodos para encontrar planetas, pero no forman parte del trabajo de los dos nuevos premios Nobel.

Gracias a Mayor y Queloz hemos descubierto miles y miles de exoplanetas. El más lejano es una belleza a 27 000 años luz: harían falta con urgencia agujeros de gusano para unas posibles vacaciones.