Nuevos datos a favor de la expansión acelerada del universo

El misterio de la energía oscura

Página 1

La cosmología actual sostiene que el universo se formó a partir de una gran explosión, el Big Bang. Pero observaciones posteriores han complicado mucho el panorama. Primero se comprobó que el comportamiento del universo era inexplicable si sólo está compuesto de la materia que se puede detectar, y fue forzoso concluir que en su mayor parte consta de “materia oscura”. Luego hubo que suponer la acción de una “energía oscura” contraria a la gravedad, que sustituiría a la materia oscura en el puesto de componente más abundante del universo. Ahora, nuevos datos suministrados por el telescopio Chandra, de la NASA, refuerzan la importancia de esta misteriosa energía, tan misteriosa que algunos científicos se preguntan si es real o sólo un término introducido para salvar las teorías físicas aceptadas.

Hasta hace poco más de seis años se pensaba que el universo estaba formado por un 95% de materia oscura y un 5% de materia ordinaria bariónica (electrones, protones y neutrones; es decir: la materia de la que están hechas las estrellas, los planetas o los seres vivos, por ejemplo). Desde 1998 el paradigma científico está cambiando a pasos agigantados, y todo ello gracias al descubrimiento de una nueva forma de energía: la enigmática energía oscura.

Chandra y la energía oscura

Según la NASA, los nuevos datos proporcionados por el telescopio Chandra, en órbita alrededor de la Tierra desde 1999, sugieren que un 75% del universo podría estar formado por energía oscura, un 21% por materia oscura y un 4% por materia ordinaria bariónica. La estimación es semejante a la aportada por la sonda WMAP (ver servicio 38/03), con la diferencia de que, según Chandra, la energía oscura gana dos puntos porcentuales. Chandra es un telescopio de rayos X que permite detectar gases calientes, algo que no está al alcance de los telescopios ópticos. Gracias a ello, es posible deducir la cantidad de materia oscura existente en los cúmulos de galaxias.

Relacionando este dato con el de la distancia y la velocidad a la que se alejan entre sí dichos cúmulos, los científicos han concluido que la energía oscura varía muy poco en el tiempo: incluso podría ser una magnitud constante. De ser cierto, la energía oscura actuaría como una fuerza de repulsión inexorable que acabaría separando todos los componentes materiales del universo. De este modo, en un plazo de 100.000 a 160.000 millones de años el universo podría ser un inmenso espacio casi vacío y frío con una densidad de materia realmente minúscula. Sería la muerte térmica del universo.

Ya no cabe duda: la energía oscura es el misterio más grande al que se enfrentan los cosmólogos. Pero... ¿qué es la energía oscura?

El telescopio Chandra (Ilustración: Chandra X-ray Center)

El paradigma clásico

Cuando en 1964 Arno Penzias y Robert Wilson descubrieron casualmente la radiación cósmica de fondo, la teoría del Big Bang recibió un gran espaldarazo empírico. Desde entonces, no sin haber tenido periodos de mayor o menor crisis, dicha teoría se ha convertido en el gran paradigma científico de la cosmología moderna para explicar el origen del universo. Prácticamente toda la comunidad científica acepta que nuestro universo comenzó su existencia con una "gran explosión". No obstante, cabe advertir que esta teoría cuenta con diversas variantes. La más extendida entre la comunidad científica es la denominada: "Teoría estándar del Big Bang caliente".

La imagen intuitiva que se tenía del Big Bang durante el último tercio del siglo XX era que un punto original (la singularidad espacio-temporal conocida popularmente como "huevo cósmico" o "átomo primigenio") estalló, hace unos 12.800 millones de años, dando lugar al universo actualmente existente.

En 1929 Edwin Hubble comprobó experimentalmente que el universo todavía estaba en expansión. El sentido común dicta que las opciones posibles son tres: a) Que la gravedad frene la expansión de las galaxias hasta dejarlas en una situación de equilibrio. b) Que la gravedad sea tan fuerte que no sólo frene la expansión, sino que además inicie un proceso inverso que acabaría contrayendo el universo hasta una nueva singularidad espacio-temporal, dando lugar a otro Big Bang (esta opción es conocida como Teoría del Big Crunch o "gran crujido"). c) Que la gravedad sea insuficiente para detener la expansión, de modo que el universo siga expandiéndose indefinidamente, aunque con una aceleración cada vez menor.

Hasta finales del siglo XX se pensaba que la materia tenía la clave del enigma. En efecto, se creía que si la cantidad de materia existente superaba cierto parámetro denominado "densidad crítica de materia", el universo se contraería debido a la intensidad de la atracción gravitatoria. Si, en cambio, no se llega a esa cantidad crítica, la fuerza de la gravedad sería demasiado débil y permitiría la expansión indefinida del universo. Por esta razón los cosmólogos se afanaban en calcular cuánta materia (bariónica y oscura) existe en el universo.

En este contexto cobraba especial relevancia una partícula subatómica denominada neutrino. Se trata de una partícula muy abundante en el universo (aunque muy difícil de detectar, ya que resulta muy esquiva a la interacción con los otros componentes de la materia) y que se piensa que carece de masa. Pero si la tuviera, por muy pequeño que fuera su valor, podría resultar suficiente para colapsar el universo, dado el gran número de neutrinos que se supone debe de existir. Los experimentos realizados hasta la fecha no han aclarado todavía esta cuestión.

La energía oscura entra en escena

En 1998 el panorama cambió radicalmente. Simplificando mucho podría decirse que dos equipos independientes que estudiaban las supernovas de tipo "Ia" (1) pudieron comprobar, con gran asombro, que brillaban menos de lo que predecían los cálculos teóricos (ver servicio 154/00). Esto significaba que se encontraban más lejos de la Tierra de lo que suponía el modelo estándar del Big Bang, así que el universo debía de estar expandiéndose a una velocidad mayor de la calculada hasta entonces (2). Este descubrimiento fue catalogado por la revista Science como el más importante de 1998.

A lo largo de estos seis años se han sucedido las investigaciones y han arrojado un balance inesperado. Se ha confirmado que ahora el universo se expande más deprisa que hace unos miles de millones de años. Este hecho es sorprendente y su causa se atribuye a una energía oscura que se generaría en el vacío cuántico del espacio intergaláctico. Esta energía actuaría como una fuerza antigravitacional, es decir: con signo contrario al de la gravedad (3). Se trataría, pues, de una forma de energía que, por ser desconocida, los científicos califican de "exótica" (4).

Los epiciclos del siglo XXI

¿Qué es y cómo actúa la energía oscura? Son cuestiones que todavía no han logrado resolver los científicos. Tal como reconoció Lawrence M. Kraus (Universidad de Case Western Reserve, en Estados Unidos): "Estamos ante el mayor misterio de la física de partículas y la cosmología contemporáneas" (5). La perplejidad de la comunidad científica es enorme. "Las pruebas de la presencia de una forma extraña de energía, que ejerce una fuerza gravitatoria repulsiva, constituyen el resultado más desconcertante de cuantos cabía esperar. Y lo es en tal grado, que lo tomamos con reservada cautela" (6).

De hecho, hay quien cuestiona la existencia de la energía oscura y afirma que tal vez sean los epiciclos (7) de la cosmología del siglo XXI, inventados para cuadrar nuestras teorías con las observaciones. Esa es al menos la opinión de Bernard Sadoulet, quien afirma: "También es posible que tanto la materia oscura como la energía oscura, a las que recurrimos para explicar el universo dentro del marco estándar de la gravedad, no existan realmente y se trate de ‘epiciclos’ que inventamos para que una teoría incompleta siga siendo compatible con observaciones cada vez más precisas. Esta nueva física gravitatoria podría originarse por ejemplo de dimensiones adicionales ocultas que parecen necesarias para una teoría cuántica de la gravedad (la famosa teoría de cuerdas o teoría M)" (8).

Vuelta a Einstein

Para otros, en cambio, la energía oscura sería la energía del vacío. De hecho, en los aceleradores de partículas se ha podido comprobar que en el vacío cuántico aparecen y desaparecen, de una forma totalmente espontánea, partículas elementales que tienen una existencia extremadamente fugaz (9). Dirac, Feynman, Schwinger y Tomonaga, al intentar combinar las leyes de la mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad de Einstein, "mostraron que el espacio vacío era más complicado de lo que se suponía. Resultaba que las partículas elementales podían brotar espontáneamente de la nada y desaparecer de nuevo (...) Estas partículas virtuales producen efectos mensurables: alteran los niveles de energía de los átomos y crean fuerzas entre las placas metálicas neutras. Guste o no, el espacio vacío no está, después de todo, vacío" (10).

De este modo, la energía oscura sería la concreción real de la famosa constante cosmológica propuesta por Albert Einstein. Su teoría de la relatividad permitía predecir la existencia de un universo dinámico. Pero como el célebre científico alemán era partidario de un universo estático, postuló la existencia de la constante cosmológica, una fuerza o energía de repulsión que impedía que el universo colapsara sobre sí mismo por efecto de la gravedad. Cuando en 1929 Edwin Hubble demostró que el universo estaba en expansión, Einstein renegó de la constante cosmológica, calificándola como el error más grave de su vida, y se lamentó por no haber predicho la expansión del universo a partir de las ecuaciones que configuran la teoría de la relatividad. Sin embargo, hoy en día la constante cosmológica ha sido recuperada. Hay científicos que la asocian con la energía oscura y la consideran la causante de la expansión acelerada del universo. Pero también se aventuran otras opiniones.

El 95% del universo es desconocido

No todo el mundo está de acuerdo en que la energía oscura o energía del vacío, que se comporta como la constante cosmológica de Einstein, sea la causante de la expansión acelerada del universo. El problema es que la teoría predice un valor para la constante cosmológica 120 órdenes mayor que el indicado por la experiencia. Pues bien, "esta discrepancia entre la teoría y la observación es el problema cuantitativo más desconcertante de la física actual" (11). Según se ha llegado a decir, "el conocimiento del motivo de esa discrepancia podría revolucionar los fundamentos de la física" (12).

Dada esta situación, hay quien opina que tal vez "la aceleración cósmica no la cause una energía oscura, sino un inexorable flujo de gravedad que escapa de nuestro mundo" (13). Otros afirman que, del mismo modo que el universo pasó por una fase de inflación durante su infancia, debido no a la energía del vacío sino a la energía de un campo denominado inflatón, pudiera ser que otro campo inflatón tomara el relevo de aquél conduciendo al universo a otro periodo inflacionario. Esta opción es conocida como "quintaesencia" (14).

Queda, pues, por delante un gran reto. Como dice Wendy Freedman: "Las observaciones astronómicas anuncian una física radicalmente nueva para un universo donde la naturaleza del 95% de la masa y la energía total es desconocida. Es un tiempo apasionante para la cosmología". (15).

____________________

(1) Cfr. Pilar Ruiz-Lapuente, Alex G. Kim y Nicolas Walton: "Supernovas y expansión acelerada del universo", Investigación y Ciencia, marzo 1999, pp. 14-20.
(2) Cfr. Adam G. Riess y Michael S. Turner: "Cuando la aceleración cambió de signo", Investigación y Ciencia, abril 2004, pp. 60-65.
(3) Lawrence M. Kraus: "Antigravedad cosmológica", Investigación y ciencia, marzo 1999, pp. 23-29.
(4) Cfr. Craig J. Horgan, Robert P. Kishner y Nicolas B. Suntzeff: "Exploración del espacio-tiempo", Investigación y Ciencia, marzo 1999, pp. 8-13.
(5) L.M. Kraus: "Inflación, universo plano, materia oscura y energía oscura: una introducción", curso impartido en el XIV Canary Islands Winter School of Astrophysics, 18-29 noviembre 2002.
(6) Craig J. Horgan, Robert P. Kishner y Nicolas B. Suntzeff, cit., p. 13.
(7) Los epiciclos eran unas esferas en las que se suponía que estaban incrustados los planetas y que daban vueltas alrededor de las esferas deferentes (las que giraban en torno a la Tierra). Se trataba de un invento propuesto por astrónomos ptolemaicos para explicar el aparente movimiento retrógrado de los planetas.
(8) Bernard Sadoulet: "Búsquedas de materia oscura en el laboratorio", curso impartido en el XIV Canary Islands Winter School of Astrophysics.
(9) Cfr. Lawrence H. Ford y Thomas A. Roman: "¿Qué es la energía negativa?", Investigación y Ciencia, marzo 2000, p. 6.
(10) Lawrence M. Kraus: "Antigravedad cosmológica", cit., p. 25.(11) Ibid.
(12) Larry Abbot: "El misterio de la constante cosmológica", Investigación y Ciencia, julio 1988, p. 76.
(13) Georgi Dvali: "Salir de la oscuridad", Investigación y Ciencia, abril 2004, p. 66.
(14) Cf. Jeremiah P. Ostriker y Paul J Steinhardt: "El universo y su quintaesencia", Investigación y Ciencia, marzo 2001.
(15) W. Freedman: "La constante de Hubble y el universo en expansión", Investigación y Ciencia, junio 2004, p. 45.


Nuestra web utiliza cookies para facilitar el servicio. Si continúa navegando entendemos que las autoriza.