La Real Academia Sueca de Ciencias otorgó el Premio Nobel de Física 2019 al canadiense James Peebles, "por sus contribuciones a nuestra comprensión de la evolución del Universo y el lugar de la Tierra en el cosmos" al demostrar teóricamente la existencia de la materia y la energía oscuras, y a los suizos Michel Mayor y Didier Queloz, por su descubrimiento del primer exoplaneta "orbitando una estrella de tipo solar".
Los galardonados de este año han transformado nuestras ideas sobre el cosmos y sus descubrimientos han cambiado para siempre nuestras concepciones del mundo y del Universo, señaló la Academia Sueca al anunciar el fallo. "Mientras los descubrimientos teóricos de James Peebles (1935) contribuyeron a nuestra comprensión de cómo evolucionó el Universo después del Big Bang, Michel Mayor (1942) y Didier Queloz (1966) exploraron nuestros vecindarios cósmicos en la búsqueda de planetas desconocidos".
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James Peebles, Michel Mayor y Didier Queloz. Imagen: Cortesía de la Fundación Nobel.
Materia y energía oscuras
El trabajo de James Peebles sobre la cosmología física enriqueció la investigación astrofísica y sentó las bases para la transformación de la cosmología en los últimos 50 años al elaborar, desde mediados de la década de los 60, el marco teórico sobre la existencia de la materia oscura y, más tarde, de la energía oscura, que son la base de nuestras ideas contemporáneas sobre el Universo.
Ahora se sabe que apenas 400 mil años después del Big Bang —ocurrido hace 13 mil 800 millones de años—, el Universo era extremadamente caluroso y denso. Desde entonces se ha expandido, se ha hecho más grande, más rápido y más frío; se volvió transparente y los rayos de luz pudieron viajar a través del espacio. Incluso hoy, esta antigua radiación se encuentra en nuestro alrededor.
Usando las herramientas y cálculos teóricos, James Peebles pudo interpretar estos rastros y descubrió nuevos procesos físicos que demuestran la existencia de la materia oscura. Gracias a sus hallazgos hoy se cuenta con métodos analíticos y numéricos que han servido para explorar las propiedades fundamentales de nuestro Universo y ha descubierto una nueva física inesperada. Ahora tenemos un modelo unificado capaz de describirlo desde su primera fracción de segundo hasta el presente y en el futuro distante.
La cosmología moderna se basa en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein y asume que después del Big Bang el Universo era extremadamente cálido y denso, pero al disminuir la temperatura los electrones se combinaron con los núcleos de átomos y se volvió transparente a la luz. Sin embargo, las contribuciones de Peebles permitieron entender que en el Universo hay una mayor cantidad de materia de la que puede observarse, invisible, una materia "exótica" en grandes cantidades.
En un artículo científico publicado en The Astrophysical Journal en 1965, el hoy galardonado con el Nobel de Física señaló: “Un factor crítico en la formación de galaxias puede ser la presencia de un contenido de radiación de cuerpo negro en el Universo”. Este trabajo, puede verse como el punto de partida de la cosmología como una ciencia de precisión y una herramienta para descubrir nueva física.
La composición de la materia oscura sigue siendo uno de los mayores misterios de la cosmología, pero en 1982 Peebles propuso la existencia de partículas pesadas y lentas de la materia fría y oscura. Todavía los científicos están buscando estas partículas desconocidas de materia que evitan interactuar con la materia ya conocida y que constituyen el 26% del cosmos.
Según la teoría general de la relatividad de Einstein, la geometría del espacio está interconectada con la gravedad: cuanto más masa y energía contiene el Universo se hace más curvo. Sin embargo, mediciones recientes de la radiación cósmica de fondo, sostienen que en realidad es plano y que la materia que contiene constituye el 31% de su valor crítico, del cual el 5% es materia ordinaria y el 26% es materia oscura. Faltaba conocer el 69% restante del Universo, la mayor parte.
James Peebles investigador de la Universidad de Pinceton, EE. UU., propuso en 1984 una solución radical: revivir la constante cosmológica de Einstein, que reinterpretó como la energía del espacio vacío, que actualmente es conocida como energía oscura y que constituye ese 69% del cosmos. La materia oscura fría y la materia ordinaria son suficientes para apoyar la idea de un Universo plano.
La energía oscura siguió siendo solo una teoría durante 14 años, hasta que fue descubierta la expansión acelerada del Universo, en 1998. Los científicos sostenían que algo distinto a la materia debe ser la responsable de la expansión cada vez más rápida: una energía oscura desconocida que lo está empujando. De repente, este apéndice teórico se convirtió en una realidad que puede ser observada. Tanto la materia oscura como la energía oscura se encuentran entre los mayores misterios de la cosmología. Una empuja y la otra jala al Universo.
Exoplanetas en toda la galaxia
En octubre de 1995, Michel Mayor y Didier Queloz anunciaron el primer descubrimiento de un planeta fuera de nuestro sistema solar: un exoplaneta. Lo llamaron 51 Pegasi b, el cual orbita una estrella llamada 51 Pegasi parecido a nuestro Sol, a 50 años luz de distancia en nuestra galaxia. Utilizaron nuevos instrumentos acoplados al Observatorio de la Alta Provenza en el sur de Francia, y lograron ver al planeta con forma de una gigante gaseosa comparable a Júpiter.
Este descubrimiento inició una revolución en la astronomía que ya ha durado 24 años, y desde entonces se han encontrado más de 4 mil exoplanetas, varios de ellos parecidos a Tierras gigantes, tan solo en nuestra Vía Láctea.
Todavía se están descubriendo nuevos mundos extraños, con una increíble riqueza de tamaños, formas y órbitas, que desafían nuestras ideas preconcebidas sobre los sistemas planetarios y están obligando a los científicos a revisar sus teorías sobre los procesos físicos responsables de los orígenes y formación de los planetas, en busca de la respuesta a la eterna pregunta de si hay otra forma de vida ahí, afuera en el Universo.
A 51 Pegasi b le toma cuatro días completar su órbita alrededor de su estrella, lo que significa que su camino está muy cerca de ella, a solo ocho millones kilómetros de distancia (la Tierra se encuentra a 150 millones de kilómetros del Sol). Por ello, el planeta se calienta a más de 1000\u00b0 C.
Su volumen es más de mil 300 veces al de la Tierra y, de acuerdo con ideas previas sobre cómo se forman los sistemas planetarios, los planetas del tamaño de Júpiter deberían formarse lejos de sus estrellas anfitrionas y, en consecuencia, les toma mucho tiempo para orbitarlos. Júpiter tarda casi 12 años en completar una órbita, por lo que el periodo orbital de solo 8 días de 51 Pegasi b fue una completa sorpresa para los cazadores de exoplanetas.
Casi inmediatamente después de esta revelación, dos astrónomos estadounidenses, Paul Butler y Geoffrey Marcy, giraron su telescopio hacia la estrella 51 Pegasi y confirmaron el hallazgo al encontrar dos nuevos exoplanetas en órbita de otras estrellas tipo solar. Sus cortos períodos orbitales fueron útiles para los astrónomos que no necesitaban esperar meses o años para ver un exoplaneta girar alrededor de su sol.
Se necesitan métodos sofisticados para rastrear un exoplaneta, ya que los planetas no brillan por sí mismos, solo reflejan la luz de sus estrellas tan débilmente que la luz brillante de la estrella anfitriona sofoca su reflejo. El método utilizado por los galardonados se llama método de velocidad radial, y mide el ligero movimiento de la estrella, un breve bamboleo, al verse influenciado por la gravedad de su planeta. Mientras el planeta orbita alrededor de su estrella, la estrella también se mueve ligeramente, ambos se mueven alrededor de su centro de gravedad común.
Desde la línea de visión desde la Tierra, se observó a 51 Pegasi bambolearse hacia adelante y hacia atrás. La velocidad de este movimiento, velocidad radial, se puede medir utilizando el conocido efecto Doppler, que distingue los rayos de luz de un objeto que se mueve hacia nosotros como más azules y, si el objeto se aleja de nosotros, los rayos son más rojos. Este es el mismo efecto que escuchamos cuando el sonido de una ambulancia aumenta en a medida que avanza hacia nosotros y disminuye cuando la ambulancia se aleja.
Los aportes de Mayor y Queloz nos permiten explorar nuestros vecindarios cósmicos en busca de planetas desconocidos incluidos aquellos capaces de albergar vida como la conocemos.