La teoría sobre el hallazgo de esta fuerza, que domina el comportamiento del universo
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En cosmología física, la energía oscura es una forma hipotética de materia que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión negativa y que tiende a incrementar la aceleración de la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Asumir la existencia de la energía oscura es la manera más popular de explicar las observaciones recientes en las que el Universo parece estar expandiéndose con una tasa de aceleración positiva. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura actualmente aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.
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¿Qué es la energía oscura? Quizá, junto con el origen de la vida, ésta sea la cuestión más fundamental que la ciencia tiene planteada hoy. Hemos descubierto un gran vacío en nuestro conocimiento. Desconocemos algo que actualmente llena casi todo el universo y ejerce una fuerza repulsiva. Una fuerza que compensa los efectos de atracción gravitatoria debidos a la materia y los supera, acelerando el ritmo al que se está expandiendo el universo desde que se originó, en el Big-Bang. Si el universo estuviese vacío, el ritmo de expansión sería constante, mientras que la presencia de materia o energía, tal y como las conocemos, frena dicho ritmo por sus efectos gravitatorios.
Hace una década aún no se hablaba de energía oscura, se hablaba de materia oscura, del ritmo de expansión, de su desaceleración, de la geometría del universo... entonces hacíamos el inventario de las componentes de universo y las cuentas no cuadraban. El fondo de radiación cósmica apuntaba a una densidad (incluyendo todo tipo de materia y energía) equivalente a unos seis núcleos de hidrógeno por metro cúbico, la llamada densidad crítica, cuyo crítico significado también ha cambiado en el modelo cosmológico actual. Pero la componente dominante de tal densidad no podía ser hidrógeno, ni ningún otro átomo, ni tampoco una materia diferente (y aún por identificar) llamada materia oscura fría porque todos estos tipos de materia ejercen fuerzas de atracción gravitatoria que se pueden medir. Y midiendo estos efectos gravitatorios podemos acotar la cantidad de materia responsable de los mismos y concluimos que, como mucho, la densidad de materia puede ser un 30% de la densidad crítica. Nos faltaba el 70% de algo y ese algo tenía que ser realmente exótico.
Tan exótico como requería el sorprendente resultado obtenido independientemente por dos grupos de astrónomos que observaban supernovas termonucleares lejanas con el objetivo de medir cuánto se frenaba el ritmo de expansión del universo. Los grupos liderados por Brian Schmidt (High Redshift Team) y Saul Perlmutter (Supernova Cosmology Project) desencadenaron en 1998 una revolución cosmológica al encontrar que el ritmo de expansión del universo en vez de frenarse, se aceleraba. Desde entonces la calidad y cantidad de datos astronómicos, en todos los frentes, no ha hecho más que aumentar y confirmar los resultados anteriores.
Las supernovas: faros cósmicos
Touching the Void es el título de un libro de montaña escrito por Joe Simpson en 1989, su experiencia con el vacío en los Andes peruanos. Cuando se publicó, yo (Inmaculada) estaba haciendo la tesis en el Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CSIC), precisamente sobre supernovas. Las supernovas son explosiones estelares, estudiábamos (y cocinábamos en el ordenador) supernovas termonucleares, una especie de bombas muy parecidas entre sí que explotan al desencadenarse en su interior reacciones nucleares.
Tocando el vacío
Efectivamente, todas las evidencias astronómicas son compatibles con que la energía oscura sea la energía asociada al vacío cuántico. El vacío no está realmente tan vacío, hay partículas que se crean y se destruyen continuamente, que existen solo durante un tiempo muy breve. Asociada a estas partículas hay una energía que cumple todos los requisitos. Es más, las supernovas indican que inicialmente la expansión del universo se frenó y posteriormente se aceleró y ésta es precisamente una característica que tendría la energía del vacío: al expandirse el universo, la densidad asociada con la materia disminuye pero la asociada al vacío, que es una propiedad del espacio mismo, permanece constante. De esta forma, la densidad de materia dominaría en el pasado, frenando el ritmo de expansión, y en un cierto punto (que las supernovas muestran) pasó a dominar la energía del vacío y el ritmo de expansión comenzó su aceleración. El problema aquí es que entre la energía del vacío estimada teóricamente y la que se necesita para explicar las observaciones astronómicas hay una discrepancia muy grande, excesivamente grande, tanto que, de nuevo... ¡algo no cuadra!
El modelo cosmológico
El modelo cosmológico compatible con todas estas observaciones es el llamado Universo con constante cosmológica y materia oscura fría, un nombre que nos recuerda directamente todo lo que no sabemos. Conocemos la materia de la que esta hecha la Tierra, el Sol, las estrellas, nosotros, esa materia se encuentra en todo el universo y está ahí desde el principio, desde el Big-Bang, pero su densidad sería solo un 5% de la densidad crítica. El otro 95% aún se nos escapa. Varios experimentos tratan de identificar la materia oscura fría, cuya cantidad podemos estimar por sus efectos gravitatorios, su densidad sería un 25% de la crítica. Y algo más lejos estamos de entender el 70% restante: la energía oscura o energía del vacío o, como la llamó Albert Einsten, la constante cosmológica. Una constante que Einsten introdujo en sus ecuaciones para compensar la gravedad y que rotundamente descartó posteriormente.
Ahora hay que preparar las supernovas para una nueva fase, pues para acotar la naturaleza de la energía oscura tenemos que aumentar la precisión de las distancias, obtenidas mediante el método de los faros cósmicos, en un factor diez. Para ello parece inevitable entender completamente las supernovas, cómo se forman y cómo explotan. Las supernovas no son todas exactamente iguales, no emiten la misma luz, pero como propuso Mark Phillips en 1993 es posible calibrarlas y así, a través de esa calibración, emplearlas como faros cósmicos. El método ha funcionado perfectamente, indicándonos, como hemos visto, la existencia de la energía oscura. Sin embargo algunos astrónomos, como Mario Hamuy, Filippo Mannucci o Mark Sullivan han relacionado las características observadas de las supernovas con su entorno, con la edad de las estrellas de las que proceden. Esto es crítico para un faro cósmico, si la luz del faro depende del lugar, no nos sirve para estimar distancias. Si las supernovas en el pasado no eran iguales a las supernovas vecinas que usamos para la calibración, hemos tocado fondo y no podemos aumentar la precisión. No podemos mientras no sepamos cómo tener en cuenta este hecho. Este es uno de nuestros proyectos actuales.
Entender el origen de la energía oscura es todo un reto, también lo fue para Joe Simpson caer y salir del vacío, algo fuera de todas las expectativas. Este reto nos puede llevar a resolver otros problemas fundamentales, como unificar la gravedad con las otras fuerzas o quizás entender el espacio-tiempo de una forma distinta. Además de los proyectos relacionados con las supernovas hay nuevos experimentos previstos o ya funcionando: aceleradores de partículas, grandes telescopios, satélites, simulaciones numéricas en grandes ordenadores, cálculos teóricos... y mientras, en estas calurosas noches de verano, "La luna gira en el cielo sobre las tierras sin agua" (Federico García Lorca) y seguimos sorprendiéndonos al mirar las estrellas, sintiendo curiosidad y la atracción que es lo que desde siempre nos lleva a descubrir, a descubrir incluso el vacío.
Presión negativa
La energía oscura causa la expansión porque tiene una gran presión negativa. Una sustancia tiene una presión positiva cuando empuja a los objetos que están en su entorno. Esta es la situación habitual para los fluidos. La presión negativa, o tensión, existe cuando la sustancia tira de su entorno. Un ejemplo común de presión negativa ocurre cuando un sólido es estirado para soportar un peso colgante.
De acuerdo con la métrica FLRW, que es una aplicación de la Relatividad General a la cosmología, la presión dentro de una substancia contribuye a su atracción gravitacional sobre otras cosas igual que hace su masa. La presión negativa causa una repulsión gravitacional. El efecto gravitacional repulsivo de la presión negativa de la energía oscura es mayor que la atracción gravitacional causada por la propia energía. A escala cosmológica, esto también supera a todas las otras formas de atracción gravitacional, dando como resultado la aceleración de la expansión del Universo.
Para resolver la contradicción de que el empuje cause atracción o la contracción cause repulsión se considera que:
Hace una década aún no se hablaba de energía oscura, se hablaba de materia oscura, del ritmo de expansión, de su desaceleración, de la geometría del universo... entonces hacíamos el inventario de las componentes de universo y las cuentas no cuadraban. El fondo de radiación cósmica apuntaba a una densidad (incluyendo todo tipo de materia y energía) equivalente a unos seis núcleos de hidrógeno por metro cúbico, la llamada densidad crítica, cuyo crítico significado también ha cambiado en el modelo cosmológico actual. Pero la componente dominante de tal densidad no podía ser hidrógeno, ni ningún otro átomo, ni tampoco una materia diferente (y aún por identificar) llamada materia oscura fría porque todos estos tipos de materia ejercen fuerzas de atracción gravitatoria que se pueden medir. Y midiendo estos efectos gravitatorios podemos acotar la cantidad de materia responsable de los mismos y concluimos que, como mucho, la densidad de materia puede ser un 30% de la densidad crítica. Nos faltaba el 70% de algo y ese algo tenía que ser realmente exótico.
Tan exótico como requería el sorprendente resultado obtenido independientemente por dos grupos de astrónomos que observaban supernovas termonucleares lejanas con el objetivo de medir cuánto se frenaba el ritmo de expansión del universo. Los grupos liderados por Brian Schmidt (High Redshift Team) y Saul Perlmutter (Supernova Cosmology Project) desencadenaron en 1998 una revolución cosmológica al encontrar que el ritmo de expansión del universo en vez de frenarse, se aceleraba. Desde entonces la calidad y cantidad de datos astronómicos, en todos los frentes, no ha hecho más que aumentar y confirmar los resultados anteriores.
Las supernovas: faros cósmicos
Touching the Void es el título de un libro de montaña escrito por Joe Simpson en 1989, su experiencia con el vacío en los Andes peruanos. Cuando se publicó, yo (Inmaculada) estaba haciendo la tesis en el Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CSIC), precisamente sobre supernovas. Las supernovas son explosiones estelares, estudiábamos (y cocinábamos en el ordenador) supernovas termonucleares, una especie de bombas muy parecidas entre sí que explotan al desencadenarse en su interior reacciones nucleares.
Tocando el vacío
Efectivamente, todas las evidencias astronómicas son compatibles con que la energía oscura sea la energía asociada al vacío cuántico. El vacío no está realmente tan vacío, hay partículas que se crean y se destruyen continuamente, que existen solo durante un tiempo muy breve. Asociada a estas partículas hay una energía que cumple todos los requisitos. Es más, las supernovas indican que inicialmente la expansión del universo se frenó y posteriormente se aceleró y ésta es precisamente una característica que tendría la energía del vacío: al expandirse el universo, la densidad asociada con la materia disminuye pero la asociada al vacío, que es una propiedad del espacio mismo, permanece constante. De esta forma, la densidad de materia dominaría en el pasado, frenando el ritmo de expansión, y en un cierto punto (que las supernovas muestran) pasó a dominar la energía del vacío y el ritmo de expansión comenzó su aceleración. El problema aquí es que entre la energía del vacío estimada teóricamente y la que se necesita para explicar las observaciones astronómicas hay una discrepancia muy grande, excesivamente grande, tanto que, de nuevo... ¡algo no cuadra!
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El modelo cosmológico compatible con todas estas observaciones es el llamado Universo con constante cosmológica y materia oscura fría, un nombre que nos recuerda directamente todo lo que no sabemos. Conocemos la materia de la que esta hecha la Tierra, el Sol, las estrellas, nosotros, esa materia se encuentra en todo el universo y está ahí desde el principio, desde el Big-Bang, pero su densidad sería solo un 5% de la densidad crítica. El otro 95% aún se nos escapa. Varios experimentos tratan de identificar la materia oscura fría, cuya cantidad podemos estimar por sus efectos gravitatorios, su densidad sería un 25% de la crítica. Y algo más lejos estamos de entender el 70% restante: la energía oscura o energía del vacío o, como la llamó Albert Einsten, la constante cosmológica. Una constante que Einsten introdujo en sus ecuaciones para compensar la gravedad y que rotundamente descartó posteriormente.
Ahora hay que preparar las supernovas para una nueva fase, pues para acotar la naturaleza de la energía oscura tenemos que aumentar la precisión de las distancias, obtenidas mediante el método de los faros cósmicos, en un factor diez. Para ello parece inevitable entender completamente las supernovas, cómo se forman y cómo explotan. Las supernovas no son todas exactamente iguales, no emiten la misma luz, pero como propuso Mark Phillips en 1993 es posible calibrarlas y así, a través de esa calibración, emplearlas como faros cósmicos. El método ha funcionado perfectamente, indicándonos, como hemos visto, la existencia de la energía oscura. Sin embargo algunos astrónomos, como Mario Hamuy, Filippo Mannucci o Mark Sullivan han relacionado las características observadas de las supernovas con su entorno, con la edad de las estrellas de las que proceden. Esto es crítico para un faro cósmico, si la luz del faro depende del lugar, no nos sirve para estimar distancias. Si las supernovas en el pasado no eran iguales a las supernovas vecinas que usamos para la calibración, hemos tocado fondo y no podemos aumentar la precisión. No podemos mientras no sepamos cómo tener en cuenta este hecho. Este es uno de nuestros proyectos actuales.
Entender el origen de la energía oscura es todo un reto, también lo fue para Joe Simpson caer y salir del vacío, algo fuera de todas las expectativas. Este reto nos puede llevar a resolver otros problemas fundamentales, como unificar la gravedad con las otras fuerzas o quizás entender el espacio-tiempo de una forma distinta. Además de los proyectos relacionados con las supernovas hay nuevos experimentos previstos o ya funcionando: aceleradores de partículas, grandes telescopios, satélites, simulaciones numéricas en grandes ordenadores, cálculos teóricos... y mientras, en estas calurosas noches de verano, "La luna gira en el cielo sobre las tierras sin agua" (Federico García Lorca) y seguimos sorprendiéndonos al mirar las estrellas, sintiendo curiosidad y la atracción que es lo que desde siempre nos lleva a descubrir, a descubrir incluso el vacío.
Presión negativa
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De acuerdo con la métrica FLRW, que es una aplicación de la Relatividad General a la cosmología, la presión dentro de una substancia contribuye a su atracción gravitacional sobre otras cosas igual que hace su masa. La presión negativa causa una repulsión gravitacional. El efecto gravitacional repulsivo de la presión negativa de la energía oscura es mayor que la atracción gravitacional causada por la propia energía. A escala cosmológica, esto también supera a todas las otras formas de atracción gravitacional, dando como resultado la aceleración de la expansión del Universo.
Para resolver la contradicción de que el empuje cause atracción o la contracción cause repulsión se considera que:
- El empuje de la presión positiva y el empuje de la presión negativa son fuerzas no gravitacionales que solamente mueven substancias en torno a su espacio interior sin cambiar el espacio en sí.
- Sin embargo, la atracción gravitacional (o repulsión) que causan opera sobre el propio espacio, disminuyendo (o incrementando) la cantidad de espacio entre las cosas. Esto es lo que determina el tamaño del Universo.
- No hay necesidad de que estos dos efectos actúen en la misma dirección. De hecho, actúan en direcciones opuestas.
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