16 Ago ¿Qué es la energía oscura?

La verdad es que aunque nos cueste reconocerlo, como especie humana sabemos mucho menos de lo que ignoramos, y para demostrar que no tenemos la más remota idea de qué es lo que está impulsando la expansión acelerada del Universo, a esta clase de energía la llamamos «energía oscura».

El Universo se ha estado expandiendo desde su nacimiento, un hecho descubierto por el astrónomo belga Georges Lemaître en 1927 y Edwin Hubble en 1929.

A principios de la década de 1990 se teorizaba sobre la expansión del Universo: ¿Podría tener suficiente densidad de energía para detener su expansión y volver a colapsar?, ¿podría tener tan poca densidad de energía que nunca dejara de expandirse?

Pero para los científicos una cosa estaba clara: La gravedad ralentizaría la expansión del Universo a medida que pasara el tiempo.

Por entonces, aún no se había observado esta desaceleración, pero en teoría el Universo tenía que desacelerarse: A fin de cuentas está lleno de materia, y la fuerza de gravedad atrae toda la materia.

Entonces, en el año 1998 todo cambió repentinamente: las observaciones de supernovas muy distantes del Telescopio Espacial Hubble (HST) mostraron que, hace mucho tiempo, el Universo se estaba expandiendo más lentamente de lo que lo hace hoy en día.

Así pues, la gravedad no solo no ha conseguido ralentizar la expansión del Universo, como todos pensaban, sino que el Universo se ha ido acelerando cada vez más.

Nadie esperaba este resultado, nadie sabía cómo explicarlo, pero el caso es que algo desconocido estaba provocando esta aceleración.

Tres posibles explicaciones

Los científicos teóricos propusieron entonces tres tipos de explicaciones para la expansión acelerada del Universo:

• Tal vez sea el resultado de una versión descartada hace mucho tiempo de la teoría de la gravedad de Einstein, que contenía lo que se llamó la «constante cosmológica».
• Tal vez haya algún tipo de fluido de energía desconocido que permea todo el espacio.
• Tal vez la teoría de la gravedad de Einstein no funciona del todo bien y una nueva teoría de la gravedad podría incluir algún tipo de campo que pueda explicar esta aceleración cósmica.

Los científicos teóricos de hoy en día siguen sin saber cuál es la explicación correcta, pero le han dado un nombre a la solución: Energía oscura.

Casi el 70% del Universo

Resulta que aproximadamente el 68% del universo es energía oscura: Sabemos cuánta energía oscura hay porque sabemos cómo afecta a la expansión del Universo, pero aparte de esto, lo que sea esta energía es por el momento un completo misterio.

Del 32% restante del Universo, la materia oscura constituye alrededor del 27% y la materia «normal» solo un 5%. Esta materia «normal», es todo lo que existe en la Tierra y todo lo que existe en el Universo que hayamos observado con nuestros instrumentos.

¿Una propiedad del espacio?

Albert Einstein fue la primera persona en darse cuenta de que el espacio vacío no es “la nada”, sino que tiene propiedades sorprendentes, muchas de las cuales apenas comienzan a comprenderse.

La primera propiedad del espacio que descubrió Einstein es que es posible crear más espacio a partir del que ya existe.

Luego, una versión de la teoría de la gravedad de Einstein, la que contiene la llamada constante cosmológica, hace una segunda predicción: el «espacio vacío» posee su propia energía.

La constante cosmológica

Debido a que esta energía es una propiedad del espacio mismo, no se diluye a medida que el espacio se expande. A medida que surge más espacio, aparece más de esta energía del espacio vacío, es decir, su densidad de energía es constante.

Como resultado, esta forma de energía hace que el Universo se expanda cada vez más rápidamente.

Esta densidad de energía del espacio o energía del vacío, estaría representada en la famosa constante cosmológica de las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein.

Esta ecuación parece bastante simple, ya que solo hay unos pocos símbolos presentes, pero es bastante compleja:

• El primer término, Gμν, se conoce como tensor de Einstein y representa la curvatura del espacio-tiempo.

• El segundo término, Λ, es la constante cosmológica: una cantidad de energía, positiva o negativa, que es inherente a la estructura del espacio mismo.

• El tercer término, gμν, se conoce como métrica, que codifica matemáticamente las propiedades de cada punto dentro del espacio-tiempo.

• El cuarto término, 8πG, es simplemente un producto de constantes y se conoce como constante gravitacional de Einstein, la contraparte de la constante gravitacional de Newton (G) con la que la mayoría de nosotros estamos más familiarizados.

• El quinto término, Tμν, se conoce como tensor tensión-energía y describe la energía, el impulso y la tensión locales (en las proximidades) dentro de ese espacio-tiempo.

Una constante de ida y vuelta

Einstein introdujo originalmente la constante en 1917, para contrarrestar el efecto de la gravedad y así lograr que el Universo fuese estático, como era la creencia aceptada en su época. Pero la abandonó en 1929, cuando las observaciones de Edwin Hubble demostraron que el Universo en realidad se estaba expandiendo.

Sin embargo, con el descubrimiento en 1998 de que la expansión del Universo se está acelerando, la comunidad científica volvió a introducir la constante cosmológica en las ecuaciones de la relatividad general de Einstein, con el propósito de introducir una energía anti-gravitatoria que explicase la expansión acelerada del Universo.

Desgraciadamente, nadie entiende por qué la constante cosmológica debería estar allí, y mucho menos por qué tendría que tener exactamente el valor que provoca la expansión acelerada del Universo observada.

Partículas virtuales

Otra explicación de cómo el espacio adquiere energía proviene de la teoría cuántica de la materia.

En esta teoría, el «espacio vacío» en realidad está lleno de partículas temporales («virtuales») que se forman continuamente y luego desaparecen.

Pero cuando los físicos intentaron calcular cuánta energía darían estas partículas virtuales al espacio vacío, la respuesta salió rematadamente mal: El valor obtenido fue 10¹²⁰ veces más grande que el que la teoría predice.

Se trata nada más y nada menos que de un error de 120 órdenes de magnitud, ¡un 1 seguido de 120 ceros!. Es difícil obtener una respuesta tan mala, así que el misterio continúa.

¿Un nuevo fluido?

Otra explicación para la energía oscura es que es un nuevo tipo de fluido o campo de energía dinámica, algo que llena todo el espacio, pero cuyo efecto en la expansión del Universo es el opuesto al de la materia y la energía normal.

Algunos teóricos han llamado a este fluido la “quintaesencia”, por el quinto elemento de los filósofos griegos. Pero, si la quintaesencia es la respuesta, todavía no sabemos cómo es, con qué interactúa o por qué existe.

La quintaesencia se diferencia de la explicación de la energía oscura basada en la constante cosmológica, en que es dinámica, es decir, cambia con el tiempo, a diferencia de la constante cosmológica que, por definición, no cambia.

La quintaesencia puede ser atractiva o repulsiva dependiendo de la proporción entre su energía cinética y potencial. Quienes trabajan con este postulado creen que la quintaesencia se volvió repulsiva hace unos 10 mil millones de años, unos 3,5 mil millones de años después del Big Bang.

¿Einstein se equivocaba?

Una última posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein no sea correcta. Esto no solo afectaría la expansión del Universo, sino que también afectaría la forma en que se comporta la materia normal en las galaxias y los cúmulos galácticos.

Este hecho proporcionaría una forma de decidir si la solución al problema de la energía oscura es una nueva teoría de la gravedad o no: podríamos observar cómo las galaxias se agrupan entre sí formando cúmulos galácticos y así determinar si la teoría de gravedad de Einstein hace agua.

Pero si resulta que se necesita una nueva teoría de la gravedad, ¿qué tipo de teoría sería? ¿Cómo podría describir correctamente el movimiento de los cuerpos en el Sistema Solar, como lo hace la teoría de Einstein, y aun así darnos una predicción diferente para el Universo que necesitamos?

Hay teorías candidatas, pero ninguna es convincente. Así que el misterio continúa. Lo que necesitamos para decidir entre las posibilidades de la energía oscura (una propiedad del espacio, un nuevo fluido dinámico o una nueva teoría de la gravedad) es más y mejores datos.

El proyecto Euclid

Y para recopilar esos datos vitales para resolver el misterio de la energía oscura, la ESA ha lanzado el proyecto Euclid, que hará un mapa 3D del Universo (con el tiempo como la tercera dimensión) mediante la observación de miles de millones de galaxias a 10 mil millones de años luz, en más de un tercio del cielo.

Al observar la evolución del Universo durante los últimos 10.000 millones de años, Euclid revelará cómo se ha expandido y cómo se han formado las estructuras cósmicas a lo largo de la historia del Universo.

De este modo, los astrónomos pueden inferir las propiedades de la energía oscura, la materia oscura y la gravedad, para revelar más sobre su naturaleza precisa.

Fuente: Dark Energy, Dark Matter | Science Mission Directorate