Desde hace más de 100 años, los astrónomos observan una curiosa estrella situada a unos 190 años luz de la Tierra en la constelación de Libra. Recorre rápidamente el cielo a 800.000 mph (1,3 millones de kilómetros por hora). Pero lo más interesante es que HD 140283 -o Matusalén, como se la conoce comúnmente- es también una de las estrellas más antiguas del universo que se conocen.
En el año 2000, los científicos trataron de datar la estrella mediante observaciones a través del satélite Hipparcos de la Agencia Espacial Europea (ESA), que estimaron una edad de 16.000 millones de años. Tal cifra era bastante alucinante y también bastante desconcertante. Como señaló el astrónomo Howard Bond, de la Universidad Estatal de Pensilvania, la edad del universo -determinada a partir de las observaciones del fondo cósmico de microondas- es de 13.800 millones de años. «Era una discrepancia grave», dijo.
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Tomada al pie de la letra, la edad predicha de la estrella planteaba un gran problema. Cómo podía una estrella ser más antigua que el universo? O, a la inversa, ¿cómo podría el universo ser más joven? Estaba claro que Matusalén -nombre que hace referencia a un patriarca bíblico que, según se dice, murió a los 969 años, lo que le convierte en el más longevo de todos los personajes de la Biblia- era viejo, ya que la subgigante, pobre en metales, está formada predominantemente por hidrógeno y helio y contiene muy poco hierro. Su composición significaba que la estrella debía haber surgido antes de que el hierro se hiciera común.
¿Pero más de dos mil millones de años más antigua que su entorno? Seguramente eso no es posible.
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Mirando más de cerca la edad de Matusalén
Bond y sus colegas se dieron a la tarea de averiguar si esa cifra inicial de 16 mil millones era exacta o no. Examinaron 11 conjuntos de observaciones que habían sido registradas entre 2003 y 2011 por los sensores de orientación fina del telescopio espacial Hubble, que toman nota de las posiciones, las distancias y la producción de energía de las estrellas. Al adquirir mediciones de paralaje, espectroscopia y fotometría, se pudo determinar un mejor sentido de la edad.
«Una de las incertidumbres con la edad de HD 140283 era la distancia precisa de la estrella», dijo Bond a All About Space. «Era importante acertar en esto porque podemos determinar mejor su luminosidad y, a partir de ella, su edad: cuanto más brillante sea la luminosidad intrínseca, más joven será la estrella. Buscábamos el efecto de paralaje, lo que significaba que veíamos la estrella con seis meses de diferencia para buscar el cambio en su posición debido al movimiento orbital de la Tierra, que nos indica la distancia».
También había incertidumbres en el modelado teórico de las estrellas, como las tasas exactas de las reacciones nucleares en el núcleo y la importancia de los elementos que se difunden hacia abajo en las capas exteriores, dijo. Trabajaron con la idea de que el helio sobrante se difunde más profundamente en el núcleo, dejando menos hidrógeno para quemar mediante la fusión nuclear. Con el combustible utilizado más rápido, la edad se reduce.
«Otro factor que fue importante fue, entre otras cosas, la cantidad de oxígeno en la estrella», dijo Bond. HD 140283 tenía una relación oxígeno-hierro más alta de lo previsto y, dado que el oxígeno no era abundante en el universo desde hacía unos pocos millones de años, apuntaba de nuevo a una edad más baja para la estrella.
Bond y sus colaboradores calcularon que la edad de HD 140283 era de 14.460 millones de años, una reducción significativa respecto a los 16.000 millones que se afirmaban anteriormente. Sin embargo, eso seguía siendo más que la edad del propio universo, pero los científicos plantearon una incertidumbre residual de 800 millones de años, que, según Bond, hacía que la edad de la estrella fuera compatible con la edad del universo, aunque no fuera del todo perfecta.
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«Como todas las estimaciones medidas, está sujeta a errores aleatorios y sistemáticos», dijo el físico Robert Matthews, de la Universidad de Aston en Birmingham, Reino Unido, que no participó en el estudio. «El solapamiento de las barras de error da una indicación de la probabilidad de que se produzca un choque con las determinaciones de la edad cosmológica», dijo Matthews. «En otras palabras, la edad mejor apoyada de la estrella está en conflicto con la de la edad derivada del universo , y el conflicto sólo puede ser resuelto empujando las barras de error a sus límites extremos.»
Los refinamientos posteriores vieron la edad de HD 140283 caer un poco más. Un estudio de seguimiento de 2014 actualizó la edad de la estrella a 14.270 millones de años. «La conclusión a la que se llegó fue que la edad es de unos 14.000 millones de años y, de nuevo, si se incluyen todas las fuentes de incertidumbre -tanto en las mediciones observacionales como en la modelización teórica- el error es de unos 700 u 800 millones de años, por lo que no hay conflicto porque 13.8.000 millones de años está dentro de la barra de error de la estrella», dijo Bond.
Mirando más de cerca la edad del universo
Para Bond, las similitudes entre la edad del universo y la de esta vieja estrella cercana -ambas determinadas por diferentes métodos de análisis- es «un logro científico asombroso que proporciona una evidencia muy fuerte para la imagen del Big Bang del universo». Dijo que el problema de la edad de las estrellas más antiguas es mucho menos grave que en los años 90, cuando las edades estelares se acercaban a los 18.000 millones de años o, en un caso, a los 20.000 millones de años. «Con las incertidumbres de las determinaciones, las edades están ahora de acuerdo», dijo Bond.
Sin embargo, Matthews cree que el problema aún no está resuelto. Los astrónomos presentes en una conferencia internacional de los mejores cosmólogos en el Instituto Kavli de Física Teórica en Santa Bárbara, California, en julio de 2019, estaban desconcertados por los estudios que sugerían diferentes edades para el universo. Estaban observando las mediciones de galaxias que están relativamente cerca y que sugieren que el universo es más joven por cientos de millones de años en comparación con la edad determinada por el fondo cósmico de microondas.
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De hecho, lejos de tener 13.800 millones de años, como se estimó en las mediciones detalladas de la radiación cósmica del telescopio espacial europeo Planck en 2013, el universo podría ser tan joven como 11.400 millones de años. Uno de los responsables de los estudios es el premio Nobel Adam Riess, del Space Telescope Science Institute de Baltimore (Maryland).
Las conclusiones se basan en la idea de un universo en expansión, tal y como demostró en 1929 Edwin Hubble. Esto es fundamental para el Big Bang: la comprensión de que hubo una vez un estado de densidad caliente que explotó, estirando el espacio. Indica un punto de partida que debería ser medible, pero los nuevos descubrimientos sugieren que la tasa de expansión es en realidad alrededor de un 10% más alta que la sugerida por Planck.
En efecto, el equipo de Planck determinó que la tasa de expansión era de 67,4 km por segundo por megaparsec, pero las mediciones más recientes realizadas sobre la tasa de expansión del universo apuntan a valores de 73 o 74. Esto significa que hay una diferencia entre la medición de la velocidad de expansión actual del universo y las predicciones de la velocidad a la que debería expandirse según la física del universo primitivo, dijo Riess. Esto conduce a una reevaluación de las teorías aceptadas, al tiempo que muestra que todavía hay mucho que aprender sobre la materia oscura y la energía oscura, que se cree que están detrás de este enigma.
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Un valor más alto de la Constante de Hubble indica una edad más corta para el universo. Una constante de 67,74 km por segundo por megaparsec llevaría a una edad de 13.800 millones de años, mientras que una de 73, o incluso tan alta como 77 como han demostrado algunos estudios, indicaría una edad del universo no superior a 12.700 millones de años. Es un desajuste que sugiere, una vez más, que la HD 140283 es más antigua que el universo. También ha sido superado desde entonces por un estudio de 2019 publicado en la revista Science que propuso una Constante de Hubble de 82,4 – lo que sugiere que la edad del universo es de sólo 11.400 millones de años.
Matthews cree que las respuestas están en un mayor refinamiento cosmológico. «Sospecho que a los cosmólogos observacionales se les ha escapado algo que crea esta paradoja, más que a los astrofísicos estelares», dijo, señalando que las mediciones de las estrellas son quizás más precisas. «Esto no se debe a que los cosmólogos sean más descuidados, sino a que la determinación de la edad del universo está sujeta a más incertidumbres observacionales y teóricas, y podría decirse que más complicadas, que la de las estrellas».
Entonces, ¿cómo lo averiguarán los científicos?
¿Pero qué podría estar haciendo que el universo parezca potencialmente más joven que esta estrella en particular?
«Hay dos opciones, y la historia de la ciencia sugiere que en estos casos la realidad es una mezcla de ambas», dijo Matthews. «En este caso se trataría de fuentes de error observacional que no se han comprendido del todo, además de algunas lagunas en la teoría de la dinámica del universo, como la fuerza de la energía oscura, que ha sido el principal impulsor de la expansión cósmica desde hace muchos miles de millones de años.»
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Sugiere la posibilidad de que la actual «paradoja de la edad» refleje una variación temporal en la energía oscura y, por tanto, un cambio en la tasa de aceleración – una posibilidad que los teóricos han encontrado que podría ser compatible con ideas sobre la naturaleza fundamental de la gravedad, como la llamada teoría de conjuntos causales. Las nuevas investigaciones sobre las ondas gravitacionales podrían ayudar a resolver la paradoja, según Matthews.
Para ello, los científicos observarían las ondulaciones en el tejido del espacio y el tiempo creadas por pares de estrellas muertas, en lugar de basarse en el fondo cósmico de microondas o en el seguimiento de objetos cercanos, como las variables cefeidas y las supernovas, para medir la Constante de Hubble -la primera resulta en la velocidad de 67 km por segundo por megaparsec y la segunda en 73.
El problema es que medir las ondas gravitacionales no es tarea fácil, dado que solo se detectaron directamente por primera vez en 2015. Pero según Stephen Feeney, astrofísico del Instituto Flatiron de Nueva York, se podría lograr un gran avance en el transcurso de la próxima década. La idea es recoger datos de las colisiones entre pares de estrellas de neutrones utilizando la luz visible que emiten estos eventos para averiguar la velocidad a la que se mueven con respecto a la Tierra. También implica el análisis de las ondas gravitacionales resultantes para tener una idea de la distancia – ambos pueden combinarse para dar una medida de la Constante de Hubble que debería ser la más precisa hasta ahora.
El misterio de la edad de HD 140283 está llevando a algo más grande y científicamente complejo, alterando la comprensión de cómo funciona el universo.
«Las explicaciones más probables para la paradoja son algún efecto observacional pasado por alto y/o algo grande que falta en nuestra comprensión de la dinámica de la expansión cósmica», dijo Matthews. Precisamente qué es ese «algo», seguro que mantendrá a los astrónomos desafiados durante algún tiempo.
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