La Energía Oscura

De lo que conocemos hasta ahora del Universo, parece que sabemos que no conocemos el 95% de él.

Algo cercano al 70% de la energía del Universo sería correspondiente a la Energía Oscura, una componente que estaría haciendo que las galaxias se alejen entre sí cada vez más rápido. En cambio, el 25% estaría en forma de Materia Oscura, la otra componente que sí sería atractiva, pero que no parece tener qué ver con lo que describe el modelo estándar de partículas. De hecho, este describiría aproximadamente ese 5%  restante del que se sabe tanto, y se conoce como Materia Bariónica.

El día de hoy hablaremos de la Energía Oscura.

Pocos años antes de cambiar a este nuevo siglo, los cosmólogos pensaban que, dado el carácter atractivo de la gravedad, la expansión del Universo estaba desacelerando, pero se observó lo contrario. Esto es, si bien las galaxias se alejan unas de otras de acuerdo con la teoría del Big Bang, en lugar de que la gravedad disminuya la velocidad que hay entre ellas, parecen repelerse entre sí. Pero entonces, ¿se atraen o se repelen?

Puesto con otras palabras: hasta mediados de la década de 1990 se consideraba que la velocidad de expansión del Universo se hacía menor con el tiempo. Como analogía, imagina que nos quedamos con Don Newton, y se tira un proyectil hacia arriba en la superficie de un planeta. El proyectil puede o no volver a la superficie dependiendo de la velocidad inicial, pero esa velocidad se reduce con el tiempo en ambos casos porque la gravedad sigue siendo atractiva.

Sin embargo, algunas cosas no encajaban por completo aún antes de descubrirse la energía oscura. Por ejemplo, se encontraron estrellas que parecían más viejas que la edad estimada del Universo en ese tiempo, del orden de diez mil millones de años. Es entonces que algunos  revivieron (entre ellos Steven Weinberg y Lawrence Krauss) la idea de que había una componente que aceleraba el Universo .

Arriba se ilustra la idea de la posibilidad de un Universo en que no hay energía oscura, el cuál puede contraerse o seguir expandiéndose indefinidamente, pero cada vez con menor velocidad de separación entre galaxias. Eso es lo que ocurre en los primeros dos diagramitas, en donde el tiempo está dirigido hacia arriba. En cambio, un Universo con expansión acelerada puede ser más antiguo, y queda claro que las galaxias aparecerían eventualmente como repeliéndose, y esto es precisamente lo que estaban comenzando a argumentar algunos aún antes de tener sustento observacional.

En realidad, estaban reviviendo el interés en una idea de Einstein conocida como la constante cosmológica. Básicamente, las ecuaciones de Einstein que describen a la gravedad permiten tener un término con dicha constante que parecería arbitraria. Dicho término no tenía contraparte en consideraciones de empate con las teorías newtonianas y no aparecía en la versión de su teoría presentada en 1915, pero Einstein lo introdujo en 1917 para ajustarse a la idea prevaleciente de ese entonces: el Universo a gran escala era estático.

Sin embargo, cuando poco más de diez años después el astrónomo Edwin Hubble dio a conocer el resultado espectacular de que las galaxias se alejan unas de otras, Einstein desechó su constante cosmológica. Alguien de apellido que comienza con Ga y termina con Mow, llegó a decir  que el físico alemán llamó a esto el peor error de su vida -pues no pudo predecir la expansión el Universo. La realidad es que de haberse aferrado a esa constante, el físico más envidiado por los febriles pseudo-científicos bien pudo adelantarse ocho décadas al descubrimiento de la energía oscura.

En 1998 dos equipos distintos se dedicaron a observar supernovas (explosión de estrellas muy masivas) de un tipo muy específico para medir el ritmo al que se expande el Universo. Encontraron que la luz de las galaxias a cierta distancia parecían más débiles de lo planteado por los modelos cosmológicos aceptados entonces, lo que indicaba que en realidad el Universo se ha acelerado. Como analogía al término materia oscura, terminó llamándose a este efecto Energía Oscura. Por este descubrimiento recibieron el Nobel de Física Saul Perlmutter, Adam Riess y Brian Schmidt en el año 2011.

Haciendo alusión al término premonitorio del buen Albert, la revista Science puso esta divertida portada --> 

Actualmente el modelo de evolución del Universo digamos canónico se conoce como Λ-CDM. Lambda denota la mencionada constante cosmológica, y CDM es por Cold Dark Matter, o Materia Oscura Fría.

Y si bien se han propuesto distintas teorías para explicar el origen de la energía oscura, la relatividad general con 

Λ sigue siendo el candidato más socorrido.

Sin embargo, muchas cuestiones siguen abiertas, y esta "explicación" que hemos venido mencionando en especial plantea dos problemas grandes. Primero, las teorías cuánticas permiten hacer un estimado del valor que el vacío podría generar para corresponderse con la energía oscura, y aparece una cosa que otorga que es más grande algunos 120 órdenes de magnitud mayor al que debe tener Λ (multiplicar 120 veces por diez). Esto sería una especie de catástrofe predictiva. Y en segundo lugar, ¿porqué la energía oscura y la materia tienen el mismo orden de magnitud? Esto es, una es 0.7 y la otra es 0.3 del Universo. ¿Porqué deberíamos esperar que actualmente estén en una escala tan similar? La respuesta "porque estamos aquí para poder observarlo", socorriendo al famoso principio antrópico, no nos satisface a muchos.

A la izquierda una imagen que muestra la idea actual de cómo ha evolucionado el Universo desde hace unos 13 800 millones de años. Poniendo atención, hay cosas tan cool como las épocas oscuras cuando no había estrellas (¿suena a El Señor de los Anillos?), o como el fondo de radiación cósmica.

Nota que al principio (la inflación no la tocaremos por ahora) la expansión parece comportarse de acuerdo a la figura de arriba en medio, con la gravedad puramente atractiva, y después como la figura de la derecha, en que hay repulsión.

Tal como leí en algún libro de cosmología: 

Puede que seamos la última generación a la que se nos enseñó que la gravedad es atractiva.









Lecturita extra: Se están poniendo en marcha distintos proyectos para revelar la naturaleza de la energía oscura. De hecho, en el siguiente enlace Saul Perlmutter opina porqué es emocionante, en lugar de decepcionante, el hecho de que aún no hayamos descifrado correctamente el origen de este fenómeno: https://physics.aps.org/articles/v13/1

Imágenes uno y tres cortesía de la NASA, que nos quiere mucho.