Energía Oscura

Este elemento es una expansión del contenido de los cursos y guías de Lawi. Ofrece hechos, comentarios y análisis sobre este tema. [aioseo_breadcrumbs] La energía osucra es la entidad que comprende la mayor parte de la masa-energía del universo y es responsable de su expansión acelerada. El término “energía oscura” deriva de la inferencia de que no es luminosa y no interactúa con la materia normal. Según múltiples líneas de evidencia, se estima que la energía oscura constituye aproximadamente el 70% de la masa-energía del universo, mientras que la materia “normal” comprende alrededor del 5% y la materia oscura alrededor del 25%. Se cree que la energía oscura es el motor de la expansión acelerada del universo a lo largo del tiempo.

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Energía Oscura y sus Características

Durante miles de años nuestra especie ha estudiado el cielo nocturno y se ha preguntado si hay algo más ahí fuera. El año pasado celebramos el 400 aniversario de la respuesta de Galileo: Sí. Galileo orientó un nuevo instrumento, el telescopio, hacia el cielo y vio objetos que ninguna otra persona había visto nunca: cientos de estrellas, montañas en la Luna, satélites de Júpiter. Desde entonces hemos encontrado más de 400 planetas alrededor de otras estrellas, 100.000 millones de estrellas en nuestra galaxia, cientos de miles de millones de galaxias más allá de la nuestra, incluso la débil radiación que es el eco del Big Bang.

Ahora los científicos piensan que incluso este extravagante censo del universo podría estar tan desfasado como el cosmos de cinco planetas que Galileo heredó de los antiguos. Los astrónomos han recopilado pruebas de que lo que siempre hemos considerado el universo real -yo, tú, esta revista, los planetas, las estrellas, las galaxias, toda la materia del espacio- representa apenas un 4 por ciento de lo que realmente hay. El resto lo llaman, a falta de una palabra mejor, oscuro: el 23% es algo que llaman materia oscura, y el 73% es algo aún más misterioso, que llaman energía oscura.

Los científicos tienen algunas ideas sobre lo que podría ser la materia oscura -partículas exóticas y aún hipotéticas-, pero apenas tienen una pista sobre la energía oscura.Entre las Líneas En 2003, el Consejo Nacional de Investigación enumeró “¿Cuál es la naturaleza de la energía oscura?” como uno de los problemas científicos más acuciantes de las próximas décadas. El jefe del comité que redactó el informe, el cosmólogo de la Universidad de Chicago Michael S. Turner, va más allá y califica la energía oscura como “el misterio más profundo de toda la ciencia”.

El esfuerzo por resolverlo ha movilizado a una generación de astrónomos en un replanteamiento de la física y la cosmología que rivaliza, y quizá supera, la revolución que Galileo inauguró en una tarde de otoño en Padua. Están aceptando una profunda ironía: es la propia vista la que nos ha cegado para casi todo el universo. Y el reconocimiento de esta ceguera, a su vez, nos ha inspirado a preguntar, como si fuera la primera vez: ¿Qué es este cosmos que llamamos hogar?

En la década de 1970, los científicos llegaron a la conclusión de que el universo es mucho más de lo que parece.Entre las Líneas En simulaciones por ordenador de nuestra galaxia, la Vía Láctea, los teóricos descubrieron que el centro no se sostendría: según lo que podemos ver de ella, nuestra galaxia no tiene suficiente masa para mantener todo en su sitio. Al girar, debería desintegrarse, desprendiendo estrellas y gas en todas direcciones. O bien una galaxia espiral como la Vía Láctea viola las leyes de la gravedad, o bien la luz que emana de ella -de las vastas y brillantes nubes de gas y de la miríada de estrellas- es una indicación inexacta de la masa de la galaxia.

Pero, ¿y si una parte de la masa de una galaxia no irradiara luz? Si las galaxias espirales contuvieran una cantidad suficiente de esa masa misteriosa, podrían obedecer las leyes de la gravedad. Los astrónomos apodaron a la masa invisible “materia oscura”.

“Nadie nos dijo nunca que toda la materia irradiara”, dijo Vera Rubin, astrónoma cuyas observaciones de las rotaciones de las galaxias aportaron pruebas de la existencia de la materia oscura. “Sólo asumimos que lo hacía”.

El esfuerzo por comprender la materia oscura definió gran parte de la astronomía durante las dos décadas siguientes. Puede que los astrónomos no sepan qué es la materia oscura, pero inferir su presencia les permitió perseguir de una manera nueva una pregunta eterna: ¿Cuál es el destino del universo?

Ya sabían que el universo está en expansión.Entre las Líneas En 1929, el astrónomo Edwin Hubble había descubierto que las galaxias lejanas se alejaban de nosotros y que cuanto más se alejaban, más rápido parecían retroceder.

Se trataba de una idea radical.Entre las Líneas En lugar de la vida majestuosa y eternamente inmóvil que parecía ser el universo, en realidad estaba vivo en el tiempo, como una película. Si se rebobina la película de la expansión, el universo acabará alcanzando un estado de densidad y energía infinitas, lo que los astrónomos llaman el Big Bang. Pero, ¿qué pasaría si se le diera al avance rápido? ¿Cómo acabaría la historia?

El universo está lleno de materia, y la materia atrae a otra materia a través de la gravedad. Los astrónomos razonaron que la atracción mutua entre toda esa materia debía estar frenando la expansión del universo.Si, Pero: Pero no sabían cuál sería el resultado final. ¿Sería el efecto gravitatorio tan fuerte que el universo acabaría por estirarse una cierta distancia, detenerse y retroceder, como una pelota lanzada al aire? ¿O sería tan leve que el universo escaparía de su agarre y nunca dejaría de expandirse, como un cohete que abandona la atmósfera terrestre? ¿O vivimos en un universo exquisitamente equilibrado, en el que la gravedad garantiza una tasa de expansión de Ricitos de Oro, ni demasiado rápida ni demasiado lenta, de modo que el universo acabaría por detenerse prácticamente?

Asumiendo la existencia de la materia oscura y que la ley de la gravitación es universal, dos equipos de astrofísicos -uno dirigido por Saul Perlmutter, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, y otro por Brian Schmidt, de la Universidad Nacional de Australia- se propusieron determinar el futuro del universo. A lo largo de la década de 1990, los equipos rivales analizaron de cerca una serie de estrellas en explosión, o supernovas, utilizando esos objetos distantes, inusualmente brillantes y de corta duración, para medir el crecimiento del universo. Sabían lo brillantes que deberían ser las supernovas en distintos puntos del universo si el ritmo de expansión fuera uniforme. Comparando el brillo de las supernovas, los astrónomos pensaron que podrían determinar hasta qué punto se estaba ralentizando la expansión del universo.Si, Pero: Pero para sorpresa de los astrónomos, cuando observaron hasta la mitad del universo, a seis o siete mil millones de años luz, descubrieron que las supernovas no eran más brillantes -y por tanto más cercanas- de lo esperado. Eran más tenues, es decir, más lejanas. Los dos equipos concluyeron que la expansión del universo no se está ralentizando. Se está acelerando.

La implicación de ese descubrimiento fue trascendental: significaba que la fuerza dominante en la evolución del universo no es la gravedad. Es… algo más. Ambos equipos anunciaron sus hallazgos en 1998. Turner dio al “algo” un apodo: energía oscura. Y se le quedó. Desde entonces, los astrónomos han perseguido el misterio de la energía oscura hasta los confines de la Tierra, literalmente.

El Polo Sur tiene el entorno más duro de la Tierra, pero también el más benigno. No se refiere con esto al tiempo, aunque en la semana entre Navidad y Año Nuevo -principios del verano en el hemisferio sur- el Sol brillaba a todas horas, las temperaturas apenas llegaban a los dígitos negativos (y un día incluso se superó el cero), y el viento estaba casi en calma.

Pero, desde la perspectiva de un astrónomo, el Polo Sur no se vuelve “benigno” hasta que el Sol se pone y se queda abajo, de marzo a septiembre. Son seis meses de datos ininterrumpidos. Durante las 24 horas de oscuridad del otoño y el invierno austral, el telescopio funciona sin parar en condiciones impecables para la astronomía. La atmósfera es delgada (el polo está a más de 9.300 pies sobre el nivel del mar, de los cuales 9.000 son de hielo). La atmósfera también es estable, debido a la ausencia de los efectos de calentamiento y enfriamiento de un Sol naciente y poniente; el polo tiene algunos de los vientos más tranquilos de la Tierra, y casi siempre soplan desde la misma dirección.

Tal vez lo más importante para el telescopio sea que el aire es excepcionalmente seco; técnicamente, la Antártida es un desierto. (Las manos agrietadas pueden tardar semanas en curarse, y la transpiración no es realmente un problema de higiene, por lo que la restricción de dos duchas a la semana para conservar el agua no es un gran problema.Entre las Líneas En el momento en que pases por la aduana de Christchurch [Nueva Zelanda], es cuando necesitarás una ducha”). El SPT detecta microondas, una parte del espectro electromagnético que es especialmente sensible al vapor de agua. El aire húmedo puede absorber las microondas e impedir que lleguen al telescopio, y la humedad emite su propia radiación, que podría interpretarse erróneamente como señales cósmicas.

Para minimizar estos problemas, los astrónomos que analizan las microondas y las ondas submilimétricas han hecho del Polo Sur un segundo hogar. Sus instrumentos residen en el Sector Oscuro, un apretado grupo de edificios donde la luz y otras fuentes de radiación electromagnética se mantienen al mínimo. (Muy cerca se encuentran el Sector Silencioso, para la investigación sismológica, y el Sector de Aire Limpio, para proyectos climáticos).

A los astrónomos les gusta decir que para obtener unas condiciones de observación más prístinas, tendrían que ir al espacio exterior, una propuesta exponencialmente más cara y que a la NASA generalmente no le gusta llevar a cabo a menos que la ciencia no pueda realizarse fácilmente en la Tierra. (Un satélite de energía oscura ha estado en el tablero de dibujo desde 1999, y el año pasado volvió “a la casilla de salida”, según un asesor de la NASA). Al menos en la Tierra, si algo va mal con un instrumento, no es necesario comandar un transbordador espacial para arreglarlo.

Estados Unidos ha mantenido una presencia anual en el polo desde 1956, y a estas alturas el Programa Antártico de la Fundación Nacional de la Ciencia ha conseguido que la vida allí sea, bueno, una ciencia. Hasta 2008, la estación estaba alojada en una cúpula geodésica cuya corona aún es visible sobre la nieve. La nueva estación base se asemeja más a un pequeño crucero que a un remoto puesto de avanzada y tiene capacidad para más de 150 personas, todas ellas en habitaciones privadas. A través de los ojos de buey que bordean las dos plantas, se puede contemplar un horizonte tan hipnóticamente llano como el de cualquier océano. La nueva estación se apoya en ascensores que, a medida que se acumula la nieve, permiten elevarla dos pisos completos.

Las nevadas en esta región ultra árida pueden ser mínimas, pero las que llegan desde los bordes del continente pueden hacer un desastre, creando una de las tareas más mundanas para el personal de la SPT durante el invierno. Una vez a la semana, durante los meses de oscuridad, cuando la población de la estación se reduce a unos 50 habitantes, los dos investigadores del SPT tienen que subir al plato de microondas de 33 pies de ancho del telescopio y barrerlo. El telescopio recoge los datos y los envía a los escritorios de los investigadores distantes. Los dos “invernantes” se pasan el día trabajando con los datos, analizándolos como si estuvieran en casa.Si, Pero: Pero cuando el telescopio tiene un fallo y suena una alarma en sus ordenadores portátiles, tienen que averiguar cuál es el problema, rápidamente.

Una hora de inactividad equivale a miles de dólares de tiempo de observación perdido. Siempre hay pequeñas cosas. Un ventilador se rompe porque está muy seco ahí abajo, toda la lubricación desaparece. Y entonces el ordenador se sobrecalienta y se apaga, y de repente nos quedamos sin saber por qué.Entre las Líneas En ese momento, el entorno podría no parecer tan “benigno” después de todo. No hay vuelos hacia o desde el Polo Sur de marzo a octubre (el aceite del motor de un avión se gelatinizaría), así que si los invernantes no pueden arreglar lo que está roto, se queda roto, lo que todavía no ha ocurrido.

Más que la mayoría de las ciencias, la astronomía depende del sentido de la vista; antes de que los astrónomos puedan reimaginar el universo como un todo, primero tienen que averiguar cómo percibir las partes oscuras. Saber qué es la materia oscura ayudaría a los científicos a pensar en cómo se forma la estructura del universo. Saber qué hace la energía oscura ayudaría a los científicos a pensar en cómo ha evolucionado esa estructura a lo largo del tiempo, y cómo seguirá evolucionando.

Los científicos tienen un par de candidatos para la composición de la materia oscura: partículas hipotéticas llamadas neutralinos y axiones. Sin embargo, en el caso de la energía oscura, el reto consiste en averiguar no lo que es, sino cómo es.Entre las Líneas En particular, los astrónomos quieren saber si la energía oscura cambia a lo largo del espacio y el tiempo, o si es constante. Una forma de estudiarla es medir las llamadas oscilaciones acústicas de los bariones. Cuando el universo estaba aún en su infancia, con apenas 379.000 años, se enfrió lo suficiente como para que los bariones (partículas formadas por protones y neutrones) se separaran de los fotones (paquetes de luz). Esta separación dejó una huella -llamada fondo cósmico de microondas- que aún hoy puede detectarse. Incluye ondas sonoras (“oscilaciones acústicas”) que recorrieron el universo naciente. Los picos de esas oscilaciones representan regiones que eran ligeramente más densas que el resto del universo. Y como la materia atrae a la materia a través de la gravedad, esas regiones se hicieron aún más densas a medida que el universo envejecía, fusionándose primero en galaxias y luego en cúmulos de galaxias. Si los astrónomos comparan las oscilaciones del fondo cósmico de microondas original con la distribución de las galaxias en diferentes etapas de la historia del universo, pueden medir el ritmo de expansión del universo.

Otro enfoque para definir la energía oscura implica un método llamado lente gravitacional. Según la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, un rayo de luz que viaja por el espacio parece curvarse debido a la atracción gravitatoria de la materia. (En realidad, es el propio espacio el que se dobla, y la luz sólo se deja llevar). Si dos cúmulos de galaxias se encuentran a lo largo de una misma línea de visión, el cúmulo de primer plano actuará como una lente que distorsiona la luz procedente del cúmulo de fondo. Esta distorsión puede indicar a los astrónomos la masa del cúmulo en primer plano. Mediante el muestreo de millones de galaxias en diferentes partes del universo, los astrónomos deberían ser capaces de estimar el ritmo al que las galaxias se han agrupado en cúmulos a lo largo del tiempo, y ese ritmo, a su vez, les indicará la velocidad de expansión del universo en diferentes momentos de su historia.

El Telescopio del Polo Sur utiliza una tercera técnica, denominada efecto Sunyaev-Zel’dovich, nombre de dos físicos soviéticos, que se basa en el fondo cósmico de microondas. Si un fotón de este último interactúa con el gas caliente de un cúmulo, experimenta un ligero aumento de energía. La detección de esta energía permite a los astrónomos cartografiar esos cúmulos y medir la influencia de la energía oscura en su crecimiento a lo largo de la historia del universo. Esa es, al menos, la esperanza. “Mucha gente en la comunidad ha desarrollado lo que creo que es un sano escepticismo. Dicen: ‘Eso es genial, pero muéstranos el dinero'”, dice Holzapfel. “Y creo que dentro de uno o dos años estaremos en condiciones de hacerlo”.

El equipo del SPT se centra en los cúmulos de galaxias porque son las estructuras más grandes del universo, a menudo formadas por cientos de galaxias: tienen un millón de millones de veces la masa del Sol. A medida que la energía oscura empuje al universo a expandirse, los cúmulos de galaxias tendrán más dificultades para crecer. Se distanciarán más unos de otros y el universo se volverá más frío y solitario.

Los cúmulos de galaxias “son una especie de canarios en una mina de carbón en cuanto a la formación de estructuras”, dice Holzapfel. Si la densidad de la materia oscura o las propiedades de la energía oscura cambiaran, la abundancia de cúmulos “sería lo primero en alterarse”. El Telescopio del Polo Sur debería ser capaz de rastrear los cúmulos de galaxias a lo largo del tiempo. “Puedes decir: ‘Hace tantos mil millones de años, ¿cuántos cúmulos había y cuántos hay ahora?”, dice Holzapfel. “Y luego compararlos con tus predicciones”.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Sin embargo, todos estos métodos vienen con una advertencia. Suponen que entendemos suficientemente la gravedad, que no sólo es la fuerza que se opone a la energía oscura, sino que ha sido el fundamento mismo de la física durante los últimos cuatro siglos.

Veinte veces por segundo, un láser situado en lo alto de las montañas Sacramento de Nuevo México dirige un pulso de luz hacia la Luna, a 239.000 millas de distancia. El objetivo del haz es uno de los tres reflectores del tamaño de una maleta que los astronautas (véase qué es, su concepto jurídico; y también su definición como “astronauts” en derecho espacial, en inglés) del Apolo colocaron en la superficie lunar hace cuatro décadas. Los fotones del haz rebotan en el espejo y regresan a Nuevo México. Tiempo total de viaje de ida y vuelta: 2,5 segundos, más o menos.

Ese “más o menos” marca la diferencia. Al cronometrar el viaje a la velocidad de la luz, los investigadores del Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO) pueden medir la distancia Tierra-Luna momento a momento y cartografiar la órbita de la Luna con una precisión exquisita. Como en la historia apócrifa en la que Galileo dejó caer bolas desde la Torre de Pisa para comprobar la universalidad de la caída libre, APOLLO trata a la Tierra y a la Luna como dos bolas que caen en el campo gravitatorio del Sol. Mario Livio, astrofísico del Space Telescope Science Institute de Baltimore, lo califica de “experimento absolutamente increíble”. Si la órbita de la Luna muestra la más mínima desviación de las predicciones de Einstein, los científicos podrían tener que replantearse sus ecuaciones -y quizás incluso la existencia de la materia y la energía oscuras-.

Hasta ahora, Einstein se mantiene. Incluso si Einstein no se mantuviera, los investigadores tendrían que eliminar primero otras posibilidades, como un error en la medida de la masa de la Tierra, la Luna o el Sol, antes de admitir que la relatividad general requiere un correctivo. Aun así, los astrónomos saben que dan por sentada la gravedad por su cuenta y riesgo. Han deducido la existencia de la materia oscura por sus efectos gravitatorios en las galaxias, y la existencia de la energía oscura por sus efectos antigravitatorios en la expansión del universo. ¿Y si la suposición que subyace a estas dos inferencias -que sabemos cómo funciona la gravedad- es errónea? ¿Puede una teoría del universo aún más descabellada que la que postula la materia y la energía oscuras explicar las pruebas? Para averiguarlo, los científicos están poniendo a prueba la gravedad no sólo en el universo, sino también en la mesa. Hasta hace poco, los físicos no habían medido la gravedad a distancias extremadamente cercanas.

Pero incluso Einstein reconoció que su teoría de la relatividad general no explicaba del todo el universo. Pasó los últimos 30 años de su vida intentando reconciliar su física de lo grande con la física de lo pequeño, la mecánica cuántica. No lo consiguió.

Los teóricos han ideado todo tipo de posibilidades para intentar conciliar la relatividad general con la mecánica cuántica: universos paralelos, universos en colisión, universos burbuja, universos con dimensiones extra, universos que se reproducen eternamente, universos que rebotan del Big Bang al Big Crunch y al Big Bang.

A pesar de todos sus avances, resulta que la astronomía ha estado trabajando bajo un supuesto incorrecto, aunque razonable: lo que se ve es lo que hay. Ahora los astrónomos tienen que adaptarse a la idea de que el universo no es nuestra materia -en el gran esquema de las cosas, nuestra especie y nuestro planeta y nuestra galaxia y todo lo que hemos visto son, como ha dicho el físico teórico Lawrence Krauss de la Universidad Estatal de Arizona, “un poco de contaminación”.

Sin embargo, los cosmólogos no se desaniman. “Los problemas realmente difíciles son geniales”, dice Michael Turner, “porque sabemos que requerirán una idea nueva y loca”. Si pusieran la línea de tiempo de la historia de la ciencia delante de mí y pudiera elegir cualquier momento y campo, aquí es donde querría estar.

Recursos

Notas y Referencias

Véase También

Materia oscura; Energía; Masa; Materia (física)
Gravedad conformada
Instrumento espectroscópico de la energía oscura
Relatividad de Sitter
Proyecto Illustris
Cosmología inhomogénea
Masa negativa
Astronomía, Cosmología, Ciencia del Espacio,
Física
Astronomía
Estrellas
Espacio exterior
Sistema Solar
Ciencia
Energía oscura
Conceptos oscuros en astrofísica
Energía (física)
Cosmología física
Conceptos en astronomía
Problemas resueltos en astronomía
Problemas resueltos en física

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