La energía oscura es sin duda uno de los descubrimientos más extraordinarios y desconcertantes de los últimos tiempos. Si el universo tuviera una etiqueta de fábrica que describiera su contenido, al estilo de una lata de conservas, leeríamos que su principal ingrediente es la energía oscura, la cual representa un 68% del total. Las pruebas acerca de su existencia son fehacientes, casi abrumadoras; sin embargo, es mucho más lo que ignoramos de ella que lo que sabemos. A día de hoy no conocemos su naturaleza, ni su origen, ni el porqué de su existencia y su abundancia.
La energía oscura no es solo enigmática; también es problemática, ya que es muy difícil encajarla de forma natural dentro de los paradigmas actuales de la física moderna. Cuando comprendamos su misterio, seguramente aprenderemos algo nuevo y profundo sobre la naturaleza. Pero la energía oscura no es solo un fascinante rompecabezas académico. Es el ingrediente que marcará el destino del universo.
La expansión acelerada
La descripción más perfecta que poseemos de la fuerza de la gravedad (hasta ahora sin un solo fallo) es la que nos proporciona la teoría de la relatividad general (abreviadamente, RG) de Einstein. La ecuación principal de esta teoría maravillosa predice que el universo ha de atravesar una fase de expansión, que es precisamente en la que nos encontramos. Las observaciones indican (desde las primeras mediciones de Edwin Hubble en 1929) que las galaxias se alejan unas de otras. Concretamente, por cada millón de años-luz de distancia, la velocidad de alejamiento aumenta en 20 km/s. Por ejemplo, una galaxia situada a 1000 millones de años-luz se aleja de nosotros a unos 20.000 km/s. Este es el ritmo de expansión actual.
Pero, ¿cómo ha evolucionado ese ritmo a lo largo del tiempo? Según la teoría de la RG todo está gobernado por el contenido de materia y energía del universo. Para un universo lleno de materia y radiación, el ritmo de expansión debe ralentizarse progresivamente. Esto es de hecho lo que se creía que pasaba hasta que en los años 90 dos colaboraciones científicas (High-z Supernova Search Team y Supernova Cosmology Project) se propusieron medir esa ralentización. ¿Cómo lo hicieron?
Recordemos que cuando miramos a un objeto lejano, no lo vemos como es ahora mismo, sino cómo era cuando emitió la luz que ahora recibimos. Por tanto, midiendo las velocidades de alejamiento de objetos situados a diferentes distancias, se puede deducir el ritmo de expansión del universo en distintas épocas. Para esta tarea es necesario determinar la distancia a la que está el objeto y su velocidad de alejamiento por métodos independientes. Esta última se mide gracias al efecto Doppler, el cual hace que la longitud de onda de la luz emitida por el objeto se alargue como consecuencia de su velocidad de alejamiento. Es el famoso “corrimiento al rojo” cósmico.
Por otro lado, medir la distancia que nos separa del objeto es una tarea más difícil. Una forma de hacerlo es comparar su luminosidad aparente con su luminosidad real. Si usted distingue a lo lejos la luz de una linterna, puede estimar a qué distancia se encuentra midiendo su brillo aparente (cuanto más lejana, menos brillo aparente). Pero para hacerlo con precisión, necesitará saber cuál es el brillo real de la linterna. En este sentido, unas linternas excelentes son las llamadas supernovas del tipo Ia.
Las supernovas son estrellas en explosión, extraordinariamente brillantes (tanto como una galaxia entera), y las de ese tipo producen siempre, con gran regularidad, el mismo brillo real. Así que, observando el brillo aparente y el corrimiento al rojo de una supernova del tipo Ia, podemos deducir la distancia a la que se encuentra y su velocidad de alejamiento. Mirando muchas supernovas a diferentes distancias, podemos reconstruir el ritmo de expansión del universo desde sus orígenes hasta el momento presente. De este modo, los dos proyectos mencionados arriba determinaron, de forma independiente, cómo había variado el ritmo de expansión del universo desde épocas remotas hasta ahora. Y lo que descubrieron, en contra de todas las expectativas, fue que la expansión del universo no se está frenando, sino todo lo contrario: se está acelerando; un proceso que comenzó hace unos cinco mil millones de años. Los dos grupos presentaron sus resultados en 1998 y desde entonces estos han sido confirmados repetidamente por otros equipos.
¿Cuál es la causa de esta sorprendente expansión acelerada?
Interpretación teórica: la energía oscura
Antes hemos dicho que una consecuencia de la RG es que “para un universo lleno de materia y radiación, el ritmo de expansión debe ralentizarse progresivamente”. Pero, ¿qué pasa si el universo contiene un ingrediente diferente? Pues bien, según las mismas ecuaciones de la RG, si añadimos al contenido del universo una energía con densidad constante en el tiempo y distribuida uniformemente, la consecuencia es que llega un momento en que la expansión se acelera, justo lo que se observa.
Una densidad de energía con estas características (perfectamente constante en el tiempo y 2 en el espacio) es lo que se denomina energía oscura, y a día de hoy es la explicación más convincente de la expansión acelerada que observamos. Y para que la aceleración producida coincida con la que medimos, hace falta que esa energía represente el 68% (aproximadamente) del contenido total de materia y energía del universo. Por tanto, la composición básica del universo es: 68% energía oscura y 32% materia. Esta última se desglosa en un 27% de materia oscura (de naturaleza también desconocida) y un 5% de materia ordinaria (la que está hecha de átomos).
A veces se dice que la energía oscura produce una fuerza repulsiva que se opone a la atracción gravitatoria entre las galaxias. Esto es una verdad a medias. Podemos imaginar que la energía oscura produce una fuerza repulsiva (aunque sería más correcto decir que produce un estiramiento del propio espacio, como si este fuera de goma, que hace que las galaxias se alejen). Pero, en todo caso, se trata de un efecto puramente gravitatorio, ya que surge de las ecuaciones de la RG. Ciertamente, una fuerza gravitatoria repulsiva contradice nuestra intuición; pero pensemos que, según la RG, las fuerzas gravitatorias no solo están originadas por la presencia de materia y la energía, sino también por la presión que estas ejercen, algo que no tiene equivalente en la familiar ley de la gravedad de Newton. Y sucede que la energía oscura genera una presión negativa, que es la que provoca una fuerza repulsiva.
El pasado y el futuro del universo
La energía oscura domina ya el contenido del universo y marca el ritmo de su expansión, pero no siempre fue así. Notemos, que por su propia naturaleza la densidad de energía oscura es la misma en cualquier parte del universo y en cualquier momento de su historia. Por el contrario, la densidad de materia (y la de radiación) se va diluyendo a medida que el universo crece, igual que la densidad de un gas que se expande en un volumen cada vez mayor. Por tanto, en épocas pasadas la densidad de materia era mucho mayor que ahora, y mayor que la de la energía oscura. Por la misma razón, en el futuro el componente de materia del universo será cada vez más irrelevante, y este estará completamente dominado por la energía oscura. En consecuencia, la expansión continuará a un ritmo cada vez mayor. Esto está ilustrado en la figura X, donde se muestra la evolución de la distancia entre galaxias con y sin energía oscura.
¿Cómo será el futuro del universo? Las galaxias continuarán alejándose unas de otras, a un ritmo cada vez mayor. O más exactamente: el espacio entre ellas seguirá estirándose a un ritmo creciente. Llegará un momento en que la luz emitida por las galaxias que se alejan de nosotros nunca nos alcanzará, se volverán invisibles a todos los efectos. En la jerga relativista, “habrán salido de nuestro horizonte causal”. Solo las galaxias vecinas, pertenecientes a nuestro grupo local, permanecerán visibles, ya que están ligadas a nosotros por la atracción gravitatoria.
Dentro de unos cien mil millones de años, el sol se habrá convertido en una enana blanca extremadamente pálida, incapaz de albergar planetas con vida. La Vía Láctea también habrá cambiado de aspecto, debido a los procesos de colisión y fusión con las galaxias cercanas. Muchas de sus estrellas actuales se habrán apagado, pero otras nuevas habrán nacido y una parte de estas aún brillará. Seguramente en algunos planetas orbitando en torno a ellas habrán surgido civilizaciones inteligentes. ¿Y qué verán a su alrededor? Absolutamente nada. Más allá de las estrellas y galaxias vecinas, observarán un vacío absoluto. Se verán a sí mismas como en una isla solitaria en medio de una inmensidad vacía. Ni siquiera percibirán que el universo se está expandiendo. Posteriormente, todas las estrellas se apagarán, toda vida se extinguirá; y el universo seguirá expandiéndose eternamente, dispersando las cenizas heladas de estrellas y planetas. ¡No cabe duda de que vivimos en una época privilegiada!
Desentrañando la energía oscura
La existencia de la energía oscura suscita preguntas profundas, aún sin respuesta, concretamente: ¿cuál es su origen? ¿Y por qué tiene el valor que tiene?
Algunos científicos han propuesto teorías de “gravedad modificada”, que postulan que las ecuaciones de Einstein deberían ser corregidas de manera que a grandes escalas se produzca una expansión acelerada sin necesidad de postular ninguna energía oscura. A día de hoy, ninguna de estas teorías parece natural o convincente, ni han conducido a ninguna predicción verificable. Otros físicos consideran que la teoría del multiverso podría explicar la energía oscura.
No podemos entrar en detalles por falta de espacio, pero ciertamente si existen muchos universos desconectados causalmente, cada uno con un valor diferente de la energía oscura (a su vez originada por la presencia de distintos campos fundamentales), entonces la vida solo puede darse en aquellos con una cantidad de energía oscura comparable a la que observamos. Una densidad de energía oscura mucho más grande produciría una expansión extrema antes incluso de que se formaran las estrellas. Pero lo cierto es que de momento, más allá de estas hipótesis, la naturaleza de la energía oscura sigue siendo un misterio.
Mientras unos físicos se rompen la cabeza intentando entender la energía oscura, otros tratan de conocerla mejor explorando, por ejemplo, la distribución de galaxias en el universo a diferentes distancias. Al igual que en los estudios de supernovas, la idea es reconstruir el ritmo de la expansión cósmica, y de ahí obtener información sobre la energía oscura. Ahora mismo, el objetivo más importante es determinar si la densidad de esta se ha mantenido realmente constante o ha ido cambiando ligeramente. Esto es crucial, ya que puede dar claves sobre su origen físico. De hecho, recientemente se han publicado resultados preliminares de la colaboración DESI, indicando que la densidad de energía oscura podría estar cambiando lentamente, pero estos resultados son aún muy preliminares y en absoluto concluyentes.
El misterio de la energía oscura es sin duda uno de los grandes desafíos de la física del siglo XXI y un tema de investigación apasionante. Cuando se resuelva, aprenderemos con seguridad algo nuevo y profundo sobre la naturaleza.
Alberto Casas
Doctor en física
Cortesía de Muy Interesante
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