Más allá del sistema solar existen millones de estrellas como nuestro Sol. Muchas de estas estrellas se agrupan y dan forma a lo que conocemos como galaxias. Nosotros mismos vivimos en una galaxia llamada Vía Láctea y nuestro universo está repleto de miles de millones de estas aglomeraciones estelares, que a su vez se agrupan en cúmulos y súper cúmulos de galaxias. De esta manera, el universo presenta una rica formación de diversos objetos cósmicos que une al contenido de materia más pequeño conocido en su forma atómica, con inmensas estructuras galácticas que habitan un universo que parece infinito.
Pero ¿es todo esto el contenido único del que está hecho el cosmos? ¿Cuáles son las fronteras del conocimiento en lo que al universo se refiere? Para abordar estas y otras preguntas entrevistamos al Dr. Alejandro Avilés Cervantes, investigador del Instituto de Ciencias Físicas de la Universidad Nacional Autónoma de México (ICF-UNAM) y actual director del Instituto Avanzado de Cosmología (IAC).
Vaso Cósmico: Comencemos por el principio. ¿Qué es la cosmología?
Alejandro Avilés: la cosmología es el estudio del universo como un todo. Se basa en la idea de que para describir un sistema no necesito conocer a fondo las componentes. Por ejemplo, para describir el agua almacenada en un tanque no necesito saber cómo se mueve cada molécula de agua. Para la cosmología es similar. Para describir el universo como un todo, yo no necesito saber cómo son los movimientos de todos los sistemas solares, ni de los planetas, incluso ni de los movimientos muy particulares de cada una de las galaxias. Más bien la cosmología estudia al universo con un principio que se llama Principio Cosmológico que dice que el universo es estadísticamente homogéneo e isotrópico, lo cual es cierto a grandes escalas.
Vaso Cósmico: ¿a partir de qué escala se empieza a cumplir ese principio?
Alejandro Avilés: Bueno no hay una escala exacta, pero son algunos Megapársecs (Mpc). Entonces la cosmología se dedica a estudiar al universo a grandes escalas. Estudiarlo como un todo, estudiar sus comienzos, sus épocas tempranas, su evolución y su futuro.
Nota: Un Megapársec son 30,856,775,814,913,673,000,000 metros y 3,261,600 años luz. Las distancias en cosmología son tan gigantescas que resulta más conveniente medir en unidades de Megapársecs y así evitar números enormes de metros, kilómetros e incluso años luz.
“Los mexicanos somos hijos de astrónomos, nuestras pirámides eran observatorios astronómicos.”
Vaso Cósmico: esa manera de estudiar al universo a través del principio cosmológico combina dos cosas: por un lado la información del universo la adquieres a partir de observaciones, pero por otro lado la descripción que das del universo viene de un marco más teórico. En ese sentido pueden haber dos ramas: la cosmología observacional y la cosmología teórica. ¿Cómo definirías estas dos ramas y cómo se llevan de la mano?
Alejandro Avilés: yo siempre pongo tres ramas: la cosmología observacional, la cosmología teórica y la otra es la cosmología numérica. La cosmología observacional es la que hemos tenido siempre. Nuestros antepasados hacían cosmología, se hacía con lo que para ellos era su universo como un todo a pesar de que realmente lo que hacían era astronomía. Los mexicanos somos hijos de astrónomos, nuestras pirámides eran observatorios astronómicos. Entonces la cosmología observacional es la más vieja. Ya en la era moderna, la cosmología observacional es la disciplina que se dedica a ver cómo estas grandes estructuras existen y cómo están distribuidas en el universo. Uno pensaría que las galaxias están ubicadas de manera aleatoria en el cielo, pero no es cierto. Hay ciertos patrones, y estos patrones los ha descubierto la cosmología moderna midiendo por ejemplo el Fondo Cósmico de Microondas (CMB por sus siglas en inglés) y midiendo catálogos de galaxias a distintas épocas en el tiempo.
Vaso Cósmico: ¿Y cuán precisas son estas mediciones del CMB y de la distribución de galaxias? ¿Cómo hacen para establecer un criterio con el cuál comparar la medición?
Alejandro Avilés: el asunto con la cosmología es que tenemos un solo universo. Cuando uno hace experimentos de física de partículas uno puede chocar una y otra vez núcleos atómicos, despedazarlos para ver qué tienen adentro, y hacer esto múltiples veces. En cosmología solo tenemos acceso a un universo, pero es ahí donde entra la cosmología numérica: lo que hacemos es realizar simulaciones computacionales de muchos universos. Hay que tener en cuenta algo, toda medición se tiene que nutrir con la cosmología numérica porque toda medición tiene un error. Si tú quieres hacer una regla tienes que aprender a hacerle las rayitas a esa regla, calibrarla. En cosmología el problema es que para calibrar esas reglas con las que vamos a hacer mediciones necesitas tener muchísimos universos que sean un poquito diferentes entre ellos, pero solo tenemos uno. Con la cosmología numérica podemos comparar nuestro universo con los universos creados en computadoras y así ver a cual se parece más. Con esto calibramos nuestras reglas y procedemos a medir. Por otro lado, dentro de la cosmología moderna hay toda una parte que fue de la primera que se desarrolló porque no teníamos buenos instrumentos cosmológicos para observar el universo, que es la cosmología teórica. Esta también se puede dividir en dos: los que desarrollan temas más fundamentales de la gravedad a nivel cosmológico y los que tratan de entender las mediciones que se toman del universo. Porque no es trivial pasar de cómo yo veo una distribución de galaxias a poder decir de qué está hecho el universo. Ahí hay una brecha enorme y necesitas una teoría que te conecte esas dos cosas.
Vaso Cósmico: Todo este engranaje entre la parte observacional, teórica y numérica de la cosmología, es lo que ha permitido conocer y entender el universo en el que vivimos. Sin embargo todavía hay retos y problemas abiertos a los que se enfrenta la cosmología moderna. ¿Cuáles son estos problemas que aún están por resolverse?
Alejandro Avilés: hay varios. Desde 1998 sabemos que el universo se está expandiendo de manera acelerada debido a una componente aún desconocida que llamamos energía oscura. Por otro lado tenemos una teoría que es la Relatividad General de Einstein que explica que esta expansión acelerada se debe a una constante cosmológica. Así, decimos entonces que la energía oscura que hace que se expanda el universo de manera acelerada es la constante cosmológica de Einstein. Pero ahí hay un problema: si uno quiere saber cuánto vale esta constante cosmológica, uno puede inferir su valor a partir de datos del CMB, este sería el resultado experimental. Sin embargo, el resultado del análisis teórico arroja un valor muy diferente al experimental. Esta enorme discrepancia se conoce como el problema de la constante cosmológica. Aún no se sabe cómo conciliar lo que dicen la medición experimental con lo que se calcula a partir de la teoría. Otro problema tiene que ver con uno de los parámetros más importantes de la cosmología, la tasa de expansión del universo al día de hoy y que se conoce como la constante de Hubble. El problema está en que distintos métodos de medición para determinar este parámetro indican distintos valores. En particular si usamos métodos que midan al universo temprano obtenemos un valor cercano a 68 km/s/Mpc, pero si usamos observaciones del universo tardío obtenemos otro valor, como de unos 73 km/s/Mpc. Como ya mencioné antes, la medición es un dato con un error, y estas mediciones del parámetro de Hubble tienen errores que no coinciden, y por mucho. Este es uno de los problemas más grandes que enfrenta la cosmología en la actualidad y le llaman la tensión de Hubble. Estos son dos de los problemas más representativos de la cosmología moderna.
Vaso Cósmico: Estos problemas y otros están siendo revisados por la comunidad de cosmología a nivel mundial, en particular en México. Pero tuvo que haber un inicio para que hoy por hoy existan grupos de física dedicados a la cosmología. ¿Cuándo se empieza a hacer cosmología en México?
Alejandro Avilés: México tiene una tradición de astrónomos gigante. Sebastián Lerdo de Tejada fue el presidente de México después de Benito Juarez, y Lerdo de Tejada estaba convencido de que había que apoyar temas científicos para crecer como sociedad. Durante su mandato, Francisco Díaz Covarrubias que además de ser un político fue un astrónomo quiso ir a una expedición para realizar observaciones del tránsito de Venus. Esa expedición fue en Japón y se apoyó mucho para que hubiese participación mexicana en esta expedición. Entonces la astronomía fue algo que siempre se estudió en México y el surgimiento posterior de la cosmología fue algo natural. Ahora bien, la cosmología durante años fue algo teórico. Los primeros cosmólogos mexicanos vienen de la física teórica, con trabajos un poco más especulativos construyendo modelos matemáticos del universo ya que no se tenían las observaciones que tenemos actualmente. Acercándonos a tiempos más recientes, todo empezó con esfuerzos de personas que aún laboran en instituciones mexicanas, como el Dr. Tonatiuh Matos (Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional), el Dr. Jorge Cervantes (Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares), el Dr. Axel de la Macorra (Instituto de Física de la UNAM), el Dr. Darío Nuñez (Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM), el Dr. Octavio Obregón (División de Ciencias e Ingenierías de la Universidad de Guanajuato), que desarrollaron trabajos en cosmología teórica.
Vaso Cósmico: ¿Cuándo empieza a entrar en juego en la comunidad mexicana la cosmología observacional? Más aún, ¿qué detona esa transición de lo teórico a lo observacional?
Alejandro Avilés: la cosmología observacional llega a México con el Instituto Avanzado de Cosmología (IAC). Este instituto es fundado en el año 2007 por físicos que ya mencioné como Jorge Cervantes, Tonatiuh Matos, Axel de la Macorra y Darío Nuñez. Previo a este año, en México habían muy pocos cosmólogos, y realmente los que habían eran físicos del área de gravitación y de partículas, que encontraron en la cosmología un campo de trabajo. Sobre todo a partir del descubrimiento de la expansión acelerada del universo, ya que había un campo nuevo de investigación y mucho trabajo por hacer. Entonces habían investigadores en varios lugares de México trabajando en cosmología pero no existía un departamento o un instituto de cosmología como tal. Una manera de ponerse de acuerdo era formando grupos, pero esto no es muy eficiente si no se tiene un aparato burocrático pero flexible con el que se pueda organizar congresos, crear talleres para estudiantes, y poder agrupar a todos esos investigadores con intereses comunes. Debido a todo esto se crea el IAC. Pero un objetivo de fondo para crear el IAC fue también traer a México la cosmología observacional porque antes no existía. Además, se puede ser un cosmólogo teórico pero si no se está en conexión con las observaciones, ahora que las hay, no se está cumpliendo con el objetivo de un físico: describir y entender las observaciones de la naturaleza, no universos que se nos ocurren en nuestros escritorios.
Vaso Cósmico: ¿Y cómo a través del IAC comienza a darse la cosmología observacional en México?
Alejandro Avilés: en el mismo año 2007 se fundó en Estados Unidos el Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), y habían unos vínculos muy grandes entre México y Berkeley sobretodo gracias al Dr. Jorge Cervantes que desde los años 90 siendo estudiante en Alemania, asistía a conferencias internacionales. En una de ellas conoció al Dr. George Smooth que se dedicaba a estudiar y medir el CMB y a quien precisamente por esos trabajos posteriormente le dieron el premio Nobel de Física en 2006. Pero ya desde antes Jorge Cervantes y George Smooth tomaron esta idea de trabajar en intereses comunes. Entonces una vez que se crea el BCCP, acá en México se juntan Axel, Jorge, Tonatiuh y Darío para empezar a ver la manera de formar una organización similar que pueda hacer avanzar la cosmología. Contando con la experiencia y los lazos formados con científicos de Berkeley y del BCCP liderados por el premio Nobel George Smooth, en 2009 se crea además un congreso internacional hecho en México que se llama Essential Cosmology for the Next Generation (ECNG), y eso empezó a cambiar todo. Desde entonces los ponentes que ha traído el IAC a dar clases y seminarios en el ECNG han sido de talla internacional. De manera que teniendo muchos estudiantes mexicanos con ganas de aprender los conocimientos y técnicas modernas para estudiar el universo, a través del IAC y de eventos como el ECNG se ha podido aprender directamente de cosmólogos observacionales expertos a nivel mundial.
“Hoy en día México forma parte de la colaboración DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument), un telescopio ubicado en Arizona para estudiar la expansión acelerada del universo.”
Vaso Cósmico: ¿recuerdas algunos de estos expertos que han asistido al ECNG?
Alejandro Avilés: muchos de los que hicieron lo que hoy llamamos cosmología moderna han venido a México a impartir cursos y seminarios en el ECNG. Algunos son Edmund Bertschinger, Matías Zaldarriaga, Wayne Hu, Max Tegmark, George Smooth, Mark Trodden, Licia Verde, Martin White, Carlos Frenk, Uroš Seljak, y se me están escapando muchos más. La estructura del ECNG es que en las mañanas se dan cursos y en las tardes exposiciones por parte de los estudiantes e investigadores jóvenes. Entonces comenzó ese entrenamiento de tener que comunicar en inglés el trabajo que estabas realizando frente a un público que incluía a un premio Nobel y al resto de estos expertos. Al principio todos los estudiantes estaban muy nerviosos. A mí me tocó dar mi primera charla en este evento cuando estaba en mi tercer semestre de doctorado, en un idioma que no era el mío y que no dominaba porque a lo largo de nuestra carrera no estudiamos inglés. Eso lo “sufrieron” todos los estudiantes mexicanos porque es una exposición tremenda, pero empiezas a conocer gente, empiezas a hacer tus propias conexiones. Yo conocí en uno de esos eventos a la persona con la que luego me fui a hacer el postdoctorado en Berkeley, el Dr. Martin White. Entonces el ECNG es un evento que permitía conexión con la cosmología moderna, que incluye la parte observacional. El evento se sigue realizando y la edición de este año del ECNG se hará en diciembre. De los cosmólogos locales este año tendremos al Dr. Luis Ureña (Universidad de Guanajuato), que es una persona que ha contribuido mucho en la cosmología mexicana.
Vaso Cósmico: Parece entonces que estas interacciones con miembros de la cosmología internacional ha nutrido al grupo mexicano al punto de formar de estudiantes y futuros investigadores. ¿Hoy por hoy dirías que la cosmología mexicana ya tiene un papel importante a nivel internacional?
Alejandro Avilés: la importancia del papel mexicano dentro de la cosmología es tremendamente superior al que había antes, de eso no hay duda. El IAC ha servido como plataforma para darnos a conocer, para organizar eventos, para crear nexos y redes de trabajo. Hoy en día México forma parte de la colaboración DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument), un telescopio ubicado en Arizona para estudiar la expansión acelerada del universo y que a la fecha tiene el mapa tridimensional de galaxias más grande de toda la humanidad. México tiene una participación modesta en tamaño (unos 40 participantes de los cerca de 900 que hay en total) pero que ha surtido muy bien. Dentro de DESI, México tiene una figura que se conoce como builder, que son personas que han construído lo suficiente dentro de la colaboración en el sentido de que han hecho contribuciones importantes. De estos builders tenemos cinco. Tenemos artículos científicos de DESI donde el primer autor es mexicano. Que sea primer autor quiere decir que la persona fue la que más contribuyó en el trabajo realizado. Al menos una quinta parte de esos artículos de DESI son liderados por estudiantes e investigadores mexicanos. El director de la mesa editorial de DESI es mexicano. También tenemos voz y voto en la junta institucional, que es el órgano que toma las decisiones importantes de DESI. Hay muchas universidades que tienen voz, pero no tienen voto. Pero México sí puede votar. Además en la parte científica tenemos desarrollos teóricos mexicanos, que se hicieron en México y se están usando en DESI. No es poca cosa.
Vaso Cósmico: Con todos estos avances en el conocimiento del universo, no solo por parte de México, sino de toda la comunidad internacional, ¿cuál crees que sea el próximo gran descubrimiento de la cosmología?
Alejandro Avilés: bueno no te puedo decir cual creo, pero te puedo decir cual quiero. Yo quisiera que se descubriera que la energía oscura es variable, que no es la constante cosmológica de Einstein como mencioné antes y que como su nombre lo indica es constante y no cambia en el tiempo. Si la energía oscura es variable quiere decir que estaríamos en presencia de una energía oscura que cambia a lo largo de la evolución del universo. Eso haría más divertido el juego, porque significaría que falta un ingrediente esencial para explicar la dinámica del universo actual. Si no es la constante cosmológica lo que hace que el universo se expanda aceleradamente, entonces necesitamos algo más, algo nuevo que sea capaz de explicar lo que la Relatividad General de Einstein con su constante cosmológica no logra describir. Hay observaciones recientes de DESI que sugieren que la energía oscura puede ser variable, pero falta mucho para tener un resultado robusto en esa dirección.
Vaso Cósmico: Alejandro, a manera de cierre, dinos algo sobre la importancia de la cosmología en la sociedad. ¿Por qué invertir dinero en estudiar el universo?
Alejandro Avilés: es una inversión, pero lo que se reditúa es enorme porque es un avance para la cosmología mexicana. ¿Y cómo la cosmología mexicana reditúa al país? ¿Por qué hacer geometría Riemanniana, o topología? ¿Por qué estudiar el universo? ¿Qué tal mejor invertir en la ciencia aplicada? Todas son preguntas muy válidas pero hay que recordar que la ciencia no es una sola, es como el cuerpo humano, si no te funciona algún órgano el resto no anda bien. La ciencia básica y la aplicada van juntas, avanza una y avanza la otra. No solo eso, la ciencia básica nutre a la industria. Las técnicas y los desarrollos de ciencia aportan el capital humano para desarrollo tecnológico. Por ejemplo, el perfil académico de alguien que estudia procesamiento de imágenes para análisis de galaxias es útil para empresas que requieran de estas técnicas para el análisis de datos. En los países desarrollados las empresas van a las universidades a buscar estudiantes e investigadores jóvenes para llevárselos por el conocimiento matemático, numérico y estadístico que tenemos los cosmólogos. Todos los países avanzados tienen ciencia. Claro que eso no implica causalidad, pero sirve como indicador. La gente que tiene ciencia básica desarrollada construye países desarrollados. Basta con revisar la historia, la ciencia puede sacar a los países de la pobreza.
Nota editorial: El texto se ha editado a partir de una transcripción original para mayor claridad.
