Dos veces al día, siete días a la semana, de febrero a noviembre durante los últimos cuatro años, dos investigadores se han superpuesto con ropa interior térmica y ropa de abrigo, con lana, franela, guantes dobles, calcetines dobles, monos acolchados y parkas rojas hinchadas, momificándose hasta parecerse a dos hombres Michelin gemelos. Luego salen, intercambiando la calidez y las comodidades modernas de una estación científica (futbolín, gimnasio, cafetería abierta las 24 horas) por un paisaje sin rasgos distintivos de menos de 100 grados Fahrenheit, más plano que Kansas y uno de los lugares más fríos del planeta. Caminan en la oscuridad casi una milla, a través de una meseta de nieve y hielo, hasta que disciernen, contra el telón de fondo de más estrellas que cualquier observador de bolsillo en el patio trasero haya visto, la silueta del disco gigante del Telescopio del Polo Sur, donde se unen a un esfuerzo global para resolver posiblemente el mayor enigma del universo: de qué está hecha la mayor parte.

Durante miles de años, nuestra especie ha estudiado el cielo nocturno y se ha preguntado si hay algo más por ahí. El año pasado celebramos el 400 aniversario de la respuesta de Galileo: Sí. Galileo entrenó un nuevo instrumento, el telescopio, en los cielos y vio objetos que ninguna otra persona había visto jamás: cientos de estrellas, montañas en la Luna, satélites de Júpiter. Desde entonces hemos encontrado más de 400 planetas alrededor de otras estrellas, 100 mil millones de estrellas en nuestra galaxia, cientos de miles de millones de galaxias más allá de la nuestra, incluso la débil radiación que es el eco del Big Bang.

Ahora los científicos piensan que incluso este extravagante censo del universo podría estar tan desactualizado como el cosmos de cinco planetas que Galileo heredó de los antiguos. Los astrónomos han recopilado evidencia de que lo que siempre hemos considerado como el universo real-yo, tú, esta revista, planetas, estrellas, galaxias, toda la materia en el espacio-representa solo un 4 por ciento de lo que realmente está ahí fuera. Al resto lo llaman, a falta de una palabra mejor, oscuro: el 23 por ciento es algo que llaman materia oscura, y el 73 por ciento es algo aún más misterioso, que llaman energía oscura.

» Tenemos un inventario completo del universo», dijo Sean Carroll, cosmólogo del Instituto Tecnológico de California, » y no tiene sentido.»

Los científicos tienen algunas ideas sobre lo que podría ser la materia oscura, partículas exóticas e hipotéticas, pero apenas tienen idea sobre la energía oscura. En 2003, el Consejo Nacional de Investigación enumeró » ¿Cuál es la Naturaleza de la Energía Oscura?»como uno de los problemas científicos más apremiantes de las próximas décadas. El jefe del comité que escribió el informe, el cosmólogo de la Universidad de Chicago, Michael S. Turner, va más allá y clasifica la energía oscura como «el misterio más profundo de toda la ciencia.»

El esfuerzo por resolverlo ha movilizado a una generación de astrónomos en un replanteamiento de la física y la cosmología para rivalizar y quizás superar la revolución que Galileo inauguró en una tarde de otoño en Padua. Están llegando a un acuerdo con una profunda ironía: es la vista misma la que nos ha cegado a casi todo el universo. Y el reconocimiento de esta ceguera, a su vez, nos ha inspirado a preguntarnos, como si fuera la primera vez: ¿Qué es este cosmos al que llamamos hogar?

Los científicos llegaron a un consenso en la década de 1970 de que había más en el universo de lo que parece. En simulaciones por computadora de nuestra galaxia, la Vía Láctea, los teóricos descubrieron que el centro no aguantaría, en base a lo que podemos ver de él, nuestra galaxia no tiene suficiente masa para mantener todo en su lugar. A medida que gira, debe desintegrarse, desprendiendo estrellas y gas en todas direcciones. O una galaxia espiral como la Vía Láctea viola las leyes de la gravedad, o la luz que emana de ella, de las vastas nubes brillantes de gas y la miríada de estrellas, es una indicación inexacta de la masa de la galaxia.

Pero, ¿y si alguna porción de la masa de una galaxia no irradia luz? Si las galaxias espirales contuvieran suficiente masa misteriosa, entonces bien podrían estar obedeciendo las leyes de la gravedad. Los astrónomos denominaron a la masa invisible «materia oscura».»

«Nadie nos dijo nunca que toda la materia irradiaba», dijo Vera Rubin, una astrónoma cuyas observaciones de las rotaciones de galaxias proporcionaron evidencia de materia oscura. «Supusimos que sí.»

El esfuerzo por entender la materia oscura definió gran parte de la astronomía para las próximas dos décadas. Es posible que los astrónomos no sepan qué es la materia oscura, pero inferir su presencia les permitió perseguir de una manera nueva una pregunta eterna: ¿Cuál es el destino del universo?

Ya sabían que el universo se está expandiendo. En 1929, el astrónomo Edwin Hubble había descubierto que las galaxias distantes se alejaban de nosotros y que cuanto más lejos se alejaban, más rápido parecían alejarse.

Esta fue una idea radical. En lugar de la majestuosa y eternamente inmutable naturaleza muerta que una vez pareció ser el universo, en realidad estaba vivo en el tiempo, como una película. Rebobina la película de la expansión y el universo finalmente alcanzará un estado de densidad y energía infinitas, lo que los astrónomos llaman el Big Bang. Pero, ¿y si le das al avance rápido? ¿Cómo terminaría la historia?

El universo está lleno de materia, y la materia atrae a otra materia a través de la gravedad. Los astrónomos razonaron que la atracción mutua entre toda esa materia debe estar ralentizando la expansión del universo. Pero no sabían cuál sería el resultado final. ¿El efecto gravitacional sería tan poderoso que el universo finalmente se estiraría una cierta distancia, se detendría y se revertiría, como una bola lanzada al aire? ¿O sería tan leve que el universo escaparía de su alcance y nunca dejaría de expandirse, como un cohete que sale de la atmósfera de la Tierra? ¿O vivimos en un universo exquisitamente equilibrado, en el que la gravedad asegura una tasa de expansión de Ricitos de oro ni demasiado rápida ni demasiado lenta, para que el universo finalmente se detenga virtualmente?Asumiendo la existencia de la materia oscura y que la ley de la gravitación es universal, dos equipos de astrofísicos, uno dirigido por Saul Perlmutter, en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y el otro por Brian Schmidt, en la Universidad Nacional de Australia, se propusieron determinar el futuro del universo. A lo largo de la década de 1990, los equipos rivales analizaron de cerca una serie de estrellas en explosión, o supernovas, utilizando esos objetos distantes inusualmente brillantes y de corta duración para medir el crecimiento del universo. Sabían cuán brillantes deberían aparecer las supernovas en diferentes puntos del universo si la velocidad de expansión fuera uniforme. Al comparar cuánto más brillantes aparecían las supernovas, los astrónomos pensaron que podían determinar cuánto se estaba desacelerando la expansión del universo. Pero para sorpresa de los astrónomos, cuando miraron hasta la mitad del universo, a seis o siete mil millones de años luz de distancia, descubrieron que las supernovas no eran más brillantes-y por lo tanto más cercanas—de lo esperado. Eran más tenues, es decir, más distantes. Los dos equipos concluyeron que la expansión del universo no se está desacelerando. Se está acelerando.

La implicación de ese descubrimiento fue trascendental: significaba que la fuerza dominante en la evolución del universo no es la gravedad. Lo es…algo más. Ambos equipos anunciaron sus conclusiones en 1998. Turner le dio al» algo » un apodo: energía oscura. Se atascó. Desde entonces, los astrónomos han perseguido el misterio de la energía oscura hasta los confines de la Tierra, literalmente.

«El Polo Sur tiene el entorno más duro de la Tierra, pero también el más benigno», dice William Holzapfel, astrofísico de la Universidad de California en Berkeley, que era el investigador principal en el sitio del Telescopio del Polo Sur (SPT) cuando visité.

No se refería al clima, aunque en la semana entre Navidad y el Día de Año Nuevo, a principios de verano en el Hemisferio Sur, el Sol brillaba todo el día, las temperaturas apenas estaban en menos de un dígito (y un día incluso rompió cero), y el viento era en su mayoría tranquilo. Holzapfel caminó desde la Estación del Polo Sur Amundsen-Scott de la Fundación Nacional de Ciencias (a un tiro de bola de nieve desde el sitio tradicional del poste, que está marcado con, sí, un poste) hasta el telescopio con jeans y zapatillas para correr. Una tarde, el edificio del laboratorio del telescopio se calentó tanto que el equipo abrió una puerta.

Pero desde la perspectiva de un astrónomo, el Polo Sur no se vuelve » benigno hasta que el Sol se pone y permanece en el suelo, de marzo a septiembre.»

«Son seis meses de datos ininterrumpidos», dice Holzapfel. Durante las 24 horas de oscuridad del otoño e invierno austral, el telescopio opera sin parar en condiciones impecables para la astronomía. La atmósfera es delgada (el polo está a más de 9,300 pies sobre el nivel del mar, 9,000 de los cuales son hielo). La atmósfera también es estable, debido a la ausencia de los efectos de calentamiento y enfriamiento de un Sol naciente y poniente; el polo tiene algunos de los vientos más tranquilos de la Tierra, y casi siempre soplan desde la misma dirección.

Quizás lo más importante para el telescopio es que el aire es excepcionalmente seco; técnicamente, la Antártida es un desierto. (Las manos agrietadas pueden tardar semanas en curarse, y la transpiración no es realmente un problema de higiene, por lo que la restricción de dos duchas a la semana para conservar el agua no es un gran problema. Como me dijo un veterano polaco: «En el momento en que regreses a la aduana de Christchurch , ahí es cuando necesitarás una ducha.») El SPT detecta microondas, una parte del espectro electromagnético que es particularmente sensible al vapor de agua. El aire húmedo puede absorber microondas e impedir que lleguen al telescopio, y la humedad emite su propia radiación, que podría malinterpretarse como señales cósmicas.

Para minimizar estos problemas, los astrónomos que analizan microondas y ondas submilimétricas han hecho del Polo Sur un segundo hogar. Sus instrumentos residen en el Sector Oscuro, un apretado grupo de edificios donde la luz y otras fuentes de radiación electromagnética se mantienen al mínimo. (Cerca se encuentran el Sector Tranquilo, para la investigación sismológica, y el Sector del Aire Limpio, para proyectos climáticos.)

A los astrónomos les gusta decir que para condiciones de observación más prístinas, tendrían que ir al espacio exterior, una propuesta exponencialmente más cara, y una que a la NASA generalmente no le gusta perseguir a menos que la ciencia no se pueda hacer fácilmente en la Tierra. (Un satélite de energía oscura ha estado dentro y fuera de la mesa de dibujo desde 1999, y el año pasado «volvió al punto de partida», según un asesor de la NASA. Al menos en la Tierra, si algo sale mal con un instrumento, no es necesario comandar un transbordador espacial para arreglarlo.

Los Estados Unidos han mantenido una presencia durante todo el año en el polo desde 1956, y por ahora el Programa Antártico de los Estados Unidos de la Fundación Nacional de Ciencias ha convertido la vida allí en, bueno, una ciencia. Hasta 2008, la estación estaba ubicada en una cúpula geodésica cuya corona todavía es visible sobre la nieve. La nueva estación base se asemeja a un pequeño crucero más que a un puesto remoto y tiene capacidad para más de 150 personas, todas en habitaciones privadas. A través de los ojos de buey que bordean los dos pisos, puede contemplar un horizonte tan hipnótico como el de cualquier océano. La nueva estación se apoya en ascensores que, a medida que se acumula la nieve, le permiten subir dos pisos completos.

Las nevadas en esta región ultraárida pueden ser mínimas, pero lo que sopla desde los bordes del continente aún puede hacer un desastre, creando una de las tareas más mundanas para la tripulación del SPT durante el invierno. Una vez a la semana durante los meses oscuros, cuando la población de la estación se reduce a alrededor de 50, los dos investigadores del SPT en el lugar tienen que subir al plato de microondas de 33 pies de ancho del telescopio y limpiarlo. El telescopio recopila datos y los envía a los escritorios de los investigadores distantes. Los dos «invernales» también pasan sus días trabajando en los datos, analizándolos como si estuvieran en casa. Pero cuando el telescopio golpea un fallo técnico y suena una alarma en sus computadoras portátiles, tienen que averiguar cuál es el problema, rápido.

«Una hora de tiempo de inactividad es miles de dólares de tiempo de observación perdido», dice Keith Vanderlinde, uno de los dos invernales de 2008. «Siempre hay pequeñas cosas. Un ventilador se romperá porque está tan seco que toda la lubricación desaparece. Y entonces la computadora se sobrecalentará y se apagará, y de repente nos quedamos sin energía y no tenemos idea de por qué.»En ese momento, el medio ambiente podría no parecer tan «benigno» después de todo. No hay vuelos hacia o desde el Polo Sur de marzo a octubre (el aceite de motor de un avión se gelatinizaría), por lo que si el invierno no puede arreglar lo que está roto, se mantiene roto, lo que aún no ha sucedido.

Más que la mayoría de las ciencias, la astronomía depende del sentido de la vista; antes de que los astrónomos puedan reimaginar el universo como un todo, primero tienen que descubrir cómo percibir las partes oscuras. Saber qué es la materia oscura ayudaría a los científicos a pensar cómo se forma la estructura del universo. Saber lo que hace la energía oscura ayudaría a los científicos a pensar en cómo esa estructura ha evolucionado con el tiempo y cómo continuará evolucionando.

Los científicos tienen un par de candidatos para la composición de la materia oscura: partículas hipotéticas llamadas neutralinos y axiones. Para la energía oscura, sin embargo, el desafío es descubrir no qué es, sino cómo es. En particular, los astrónomos quieren saber si la energía oscura cambia en el espacio y el tiempo, o si es constante. Una forma de estudiarlo es medir las llamadas oscilaciones acústicas bariónicas. Cuando el universo aún estaba en su infancia, con apenas 379.000 años de antigüedad, se enfrió lo suficiente para que los bariones (partículas hechas de protones y neutrones) se separaran de los fotones (paquetes de luz). Esta separación dejó una huella, llamada fondo cósmico de microondas, que todavía se puede detectar hoy en día. Incluye ondas de sonido («oscilaciones acústicas») que recorrieron el universo infantil. Los picos de esas oscilaciones representan regiones que eran ligeramente más densas que el resto del universo. Y debido a que la materia atrae a la materia a través de la gravedad, esas regiones se hicieron aún más densas a medida que el universo envejecía, fusionándose primero en galaxias y luego en cúmulos de galaxias. Si los astrónomos comparan las oscilaciones originales del fondo cósmico de microondas con la distribución de las galaxias en diferentes etapas de la historia del universo, pueden medir la velocidad de expansión del universo.

Otro enfoque para definir la energía oscura implica un método llamado lente gravitacional. De acuerdo con la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, un haz de luz que viaja a través del espacio parece doblarse debido a la atracción gravitatoria de la materia. (En realidad, es el espacio en sí mismo el que se dobla, y la luz simplemente va a lo largo del viaje.) Si dos cúmulos de galaxias se encuentran a lo largo de una sola línea de visión, el cúmulo de primer plano actuará como una lente que distorsiona la luz proveniente del cúmulo de fondo. Esta distorsión puede indicar a los astrónomos la masa del cúmulo de primer plano. Al tomar muestras de millones de galaxias en diferentes partes del universo, los astrónomos deberían ser capaces de estimar la velocidad a la que las galaxias se han agrupado en cúmulos a lo largo del tiempo, y esa velocidad a su vez les dirá qué tan rápido se expandió el universo en diferentes puntos de su historia.

El Telescopio del Polo Sur utiliza una tercera técnica, llamada efecto Sunyaev-Zel’dovich, llamada así por dos físicos soviéticos, que se basa en el fondo cósmico de microondas. Si un fotón de este último interactúa con gas caliente en un cúmulo, experimenta un ligero aumento de energía. La detección de esta energía permite a los astrónomos mapear esos cúmulos y medir la influencia de la energía oscura en su crecimiento a lo largo de la historia del universo. Esa, al menos, es la esperanza. «Mucha gente en la comunidad ha desarrollado lo que creo que es un escepticismo saludable. Dicen: ‘Eso es genial, pero muéstranos el dinero'», dice Holzapfel. «Y creo que dentro de un año o dos, estaremos en condiciones de poder hacerlo.»

El equipo del SPT se centra en los cúmulos de galaxias porque son las estructuras más grandes del universo, que a menudo consisten en cientos de galaxias, son un millón de billones de veces la masa del Sol. A medida que la energía oscura empuja al universo a expandirse, los cúmulos de galaxias tendrán más dificultades para crecer. Se volverán más distantes el uno del otro, y el universo se volverá más frío y solitario.

Los cúmulos de galaxias «son como canarios en una mina de carbón en términos de formación de estructuras», dice Holzapfel. Si la densidad de materia oscura o las propiedades de la energía oscura cambiar, la abundancia de grupos «sería la primera cosa que ser alterado.»El Telescopio del Polo Sur debería ser capaz de rastrear cúmulos de galaxias a lo largo del tiempo. «Se puede decir,’ Hace tantos mil millones de años, ¿cuántos grupos había y cuántos hay ahora?'», dice Holzapfel. «Y luego compáralas con tus predicciones.»

sin Embargo, todos estos métodos vienen con una advertencia. Asumen que entendemos suficientemente la gravedad, que no es solo la fuerza que se opone a la energía oscura, sino que ha sido la base misma de la física durante los últimos cuatro siglos.

Veinte veces por segundo, un láser en lo alto de las montañas Sacramento de Nuevo México apunta un pulso de luz a la Luna, a 239,000 millas de distancia. El objetivo del rayo es uno de los tres reflectores del tamaño de una maleta que los astronautas del Apolo plantaron en la superficie lunar hace cuatro décadas. Los fotones del rayo rebotan en el espejo y regresan a Nuevo México. Tiempo total de viaje de ida y vuelta: 2,5 segundos, más o menos.

Que «más o menos» hace toda la diferencia. Al programar el viaje a velocidad de la luz, los investigadores del Observatorio Apache Point Lunar Laser-ranging Operation (APOLO) pueden medir la distancia Tierra-Luna momento a momento y mapear la órbita de la Luna con exquisita precisión. Al igual que en la historia apócrifa de Galileo arrojando bolas desde la Torre Inclinada de Pisa para probar la universalidad de la caída libre, APOLO trata a la Tierra y la Luna como dos bolas que caen en el campo gravitacional del Sol. Mario Livio, astrofísico del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, lo llama un » experimento absolutamente increíble.»Si la órbita de la Luna exhibe la más mínima desviación de las predicciones de Einstein, los científicos podrían tener que repensar sus ecuaciones, y tal vez incluso la existencia de materia oscura y energía oscura.

«Hasta ahora, Einstein está aguantando», dice uno de los observadores principales de APOLO, el astrónomo Russet McMillan, mientras su proyecto de cinco años pasa la mitad del camino.

Incluso si Einstein no estuviera aguantando, los investigadores primero tendrían que eliminar otras posibilidades, como un error en la medida de la masa de la Tierra, la Luna o el Sol, antes de admitir que la relatividad general requiere un correctivo. Aun así, los astrónomos saben que dan por sentada la gravedad bajo su propio riesgo. Han deducido la existencia de materia oscura debido a sus efectos gravitacionales en las galaxias, y la existencia de energía oscura debido a sus efectos antigravitacionales en la expansión del universo. ¿Y si la suposición subyacente a estas inferencias gemelas-que sabemos cómo funciona la gravedad-es incorrecta? ¿Puede una teoría del universo aún más extravagante que una postulación de materia oscura y energía oscura explicar la evidencia? Para averiguarlo, los científicos están probando la gravedad no solo en todo el universo, sino en todo el tablero de la mesa. Hasta hace poco, los físicos no habían medido la gravedad a distancias extremadamente cortas.

«Asombroso, ¿no es así?»dice Eric Adelberger, coordinador de varios experimentos de gravedad que tienen lugar en un laboratorio de la Universidad de Washington, Seattle. «Pero no sería sorprendente si intentaras hacerlo», si intentaras probar la gravedad a distancias más cortas de un milímetro. Probar la gravedad no es simplemente una cuestión de poner dos objetos cerca uno del otro y medir la atracción entre ellos. Todo tipo de cosas pueden estar ejerciendo una influencia gravitacional.

» Aquí hay metal», dice Adelberger, señalando un instrumento cercano. «Hay una ladera por aquí», ondeando hacia algún punto más allá de la pared de concreto que rodea el laboratorio. «Hay un lago allí.»También está el nivel del agua subterránea en el suelo, que cambia cada vez que llueve. Luego está la rotación de la Tierra, la posición del Sol, la materia oscura en el corazón de nuestra galaxia.

Durante la última década, el equipo de Seattle ha medido la atracción gravitacional entre dos objetos a distancias cada vez más pequeñas, hasta 56 micras (o 1/500 de pulgada), solo para asegurarse de que las ecuaciones de Einstein para la gravedad también se mantengan en las distancias más cortas. Hasta ahora, lo hacen.

Pero incluso Einstein reconoció que su teoría de la relatividad general no explicaba del todo el universo. Pasó los últimos 30 años de su vida tratando de conciliar la física de lo muy grande con la física de lo muy pequeño—la mecánica cuántica. Falló.

Los teóricos han encontrado todo tipo de posibilidades en un intento de reconciliar la relatividad general con la mecánica cuántica: universos paralelos, universos en colisión, universos de burbujas, universos con dimensiones adicionales, universos que se reproducen eternamente, universos que rebotan de Big Bang a Big Crunch a Big Bang.

Adam Riess, un astrónomo que colaboró con Brian Schmidt en el descubrimiento de la energía oscura, dice que mira todos los días un sitio de Internet (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) donde los científicos publican sus análisis para ver qué nuevas ideas existen. «La mayoría de ellos son bastante excéntricos», dice. «Pero es posible que alguien salga con una teoría profunda.»

A pesar de todos sus avances, la astronomía resulta haber estado trabajando bajo una suposición incorrecta, aunque razonable: lo que ves es lo que obtienes. Ahora los astrónomos tienen que adaptarse a la idea de que el universo no es cosa nuestra—en el gran esquema de las cosas, nuestra especie y nuestro planeta y nuestra galaxia y todo lo que hemos visto son, como dijo el físico teórico Lawrence Krauss de la Universidad Estatal de Arizona, «un poco de contaminación.»

sin Embargo, los cosmólogos tienden a no desanimarse. «Los problemas realmente difíciles son grandes», dice Michael Turner, » porque sabemos que requerirán una idea nueva y loca.»Como dijo Andreas Albrecht, cosmólogo de la Universidad de California en Davis, en una reciente conferencia sobre energía oscura: «Si pones la línea de tiempo de la historia de la ciencia ante mí y pudiera elegir cualquier momento y campo, aquí es donde querría estar.»

Richard Panek escribió sobre Einstein para el Smithsonian en 2005. Su libro sobre materia oscura y energía oscura aparecerá en 2011.