La energía oscura podría no existir       

 

Científicos encuentran una posible explicación para la expansión acelerada del Universo, que reta el modelo estándar cosmológico.

 

Por Gary Stuard.

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero Ordáz. ALDA. Septiembre de 2017.

 

Two merging galaxies.

Dos galaxias interactuando.

Un modelo del universo que tenga en cuenta la distribución irregular de las galaxias puede hacer que la energía oscura desaparezca.

Crédito: NASA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC/LO), M. Clampin (STSCI), G. Hartig (STSCI).

 

    La expansión acelerada del Universo debido a una cantidad misteriosa llamada "energía oscura" puede no ser real, de acuerdo con una investigación que afirma que podría ser simplemente un artefacto causado por la estructura física del cosmos.

 

Los hallazgos, publicados en los Avisos Mensuales de la Royal Astronomical Society, afirman que el ajuste de las supernovas Tipo Ia a un modelo de Universo “sin energía oscura” parece ser ligeramente mejor que el ajuste usando el modelo estándar de energía oscura. El autor principal del estudio, David Wiltshire, de la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda, dice que los modelos existentes de energía oscura se basan en un Universo homogéneo, en el que la materia se distribuye de manera uniforme.

 

"El universo real tiene una estructura mucho más complicada, que comprende galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos organizados en una red cósmica de láminas gigantes y filamentos que rodean enormes vacíos en donde no se ha detectado prácticamente nada", dice Wiltshire.

 

Los modelos actuales del universo requieren energía oscura para explicar la aceleración observada en la velocidad a la que se expande el Universo. Los científicos basan esta conclusión en las mediciones de las distancias a las supernovas Tipo 1a en galaxias distantes, que parecen estar más lejos de lo que estarían si la expansión del Universo no se acelerara. Las supernovas tipo 1a son poderosas explosiones lo suficientemente brillantes como para eclipsar brevemente a toda una galaxia. Son causados ​​por la destrucción termonuclear de un tipo de estrella conocida como enana blanca, el cadáver estelar de una estrella similar al Sol.

 

Se cree que todas las supernovas Tipo 1a explotan alrededor de la misma masa, una cifra conocida en astrofísica como el límite de Chandrasekhar, que equivale a aproximadamente 1,44 veces la masa del Sol.

 

Debido a que todas explotan aproximadamente a la misma masa, también explotan con aproximadamente el mismo nivel de luminosidad. Esto permite a los astrónomos usar estas supernovas como “candelas estándar” para medir las distancias cósmicas en todo el Universo, de la misma manera que puedes determinar qué tan lejos está una hilera de faroles a lo largo de una carretera, por lo brillantes que cada una de ellas parezca desde donde estás parado.

 

En una escala galáctica, la gravedad parece ser más fuerte de lo que los científicos pueden explicar. Ellos evalúan este comportamiento  utilizando la materia normal del Universo, aquella que surge del modelo estándar de la física de partículas, que compone todas las estrellas, planetas, edificios y personas. Para explicar sus observaciones, los científicos inventaron la "materia oscura", una sustancia misteriosa que parece interactuar solo gravitacionalmente con la materia normal. En este sentido, ellos estimaron que la forma cómo se mueven las galaxias, deben tener, aproximadamente, cinco veces más materia oscura que materia normal. Los científicos la llaman “oscura” porque la misma no emite luz y sólo pueden ver sus efectos gravitacionales sobre la materia normal.

 

En escalas cósmicas mayores de un Universo en expansión, la gravedad parece ser más débil de lo esperado que en un Universo que contiene solo materia normal y materia oscura. De aquí, los científicos inventaron una nueva fuerza, llamada "energía oscura", una especie de fuerza antigravitacional que causa una aceleración en la expansión del Universo desde el Big Bang, hace 13.800 millones de años.

 

La energía oscura no se nota en escalas pequeñas, pero se convierte en la fuerza dominante en el Universo en escalas cósmicas más grandes: casi cuatro veces mayor que la gravedad de la materia normal y la materia oscura combinadas.

 

La idea de la energía oscura no es nueva. A Albert Einstein se le ocurrió por primera vez para explicar un problema que estaba teniendo cuando aplicó a todo el Universo sus famosas ecuaciones de la teoría de la relatividad general en 1915. Al igual que otros científicos en ese momento, Einstein creía que el Universo estaba en un estado estable e invariable. Sin embargo, cuando aplicó sus ecuaciones a la cosmología, sus ecuaciones mostraron que el Universo buscaba expandirse o contraerse a medida que la materia interactuaba con el tejido del espacio-tiempo: la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse, y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse.

 

Para resolver el problema, Einstein introdujo una fuerza de energía oscura en 1917 a la que llamó la "constante cosmológica". Era una invención matemática, un factor de ajuste diseñado para resolver las discrepancias entre la teoría de la relatividad general y la mejor evidencia observacional que había a la fecha, lo que devolvía al Universo a un estado estable.

 

Años más tarde, cuando el astrónomo Edwin Hubble descubrió que las galaxias parecían alejarse unas de otras, y la velocidad a la que se movían era proporcional a su distancia, Einstein se dio cuenta de su error y describió la constante cosmológica como el mayor error de su vida. Sin embargo, en realidad, la idea nunca se fue, y sigue reapareciendo para explicar las observaciones extrañas.

 

A mediados de la década de 1990, dos equipos de científicos, uno dirigido por Brian Schmidt y Adam Riess, y el otro por Saul Perlmutter, midieron de forma independiente las distancias a las supernovas Tipo 1a en el Universo distante, encontrando que parecían estar más lejos de lo que deberían, si la tasa de expansión del Universo fuese constante.

 

Las observaciones llevaron a la hipótesis de que algún tipo de fuerza antigravitacional de energía oscura había causado que la expansión del Universo se acelerara en los últimos seis mil millones de años.

 

Wiltshire y sus colegas ahora desafían ese razonamiento. "Estas observaciones se basan en un viejo modelo de expansión que no ha cambiado desde la década de 1920", dice. En 1922, el físico ruso Alexander Friedmann utilizó las ecuaciones de campo de Einstein para desarrollar una cosmología física que gobierna la expansión del espacio en modelos homogéneos e isótropos del Universo. "La ecuación de Friedmann supone una expansión idéntica a la de una sopa sin rasgos, sin una estructura complicada", dice Wiltshire. Esto se convirtió en la base del estándar de la cosmología Lambda de Materia Oscura Fría, utilizada para describir el Universo. "En realidad, el Universo de hoy no es homogéneo", dice Wiltshire.

 

La primera instantánea del Universo, llamada radiación cósmica de fondo de microondas, muestra solo ligeras variaciones de temperatura causadas por diferencias en las densidades presentes 370.000 años después del Big Bang. Sin embargo, las inestabilidades gravitacionales llevaron a que esas pequeñas variaciones de densidad evolucionaran hacia las estrellas, galaxias y cúmulos de galaxias, que constituirían la estructura a gran escala del Universo en la actualidad. "El Universo se ha convertido en una vasta red cósmica dominada en volumen por huecos vacíos, rodeada por láminas de galaxias y enhebrada por filamentos tenues", dice Wiltshire. En lugar de comparar las observaciones de las supernovas con el modelo cosmológico Lambda de Materia Oscura Fría, Wiltshire y sus colegas utilizaron un modelo diferente, llamado "cosmología de escape temporal".

 

La cosmología de escape temporal (timescape) no tiene energía oscura. En cambio, incluye variaciones en los efectos de la gravedad causada por los abultamientos en la estructura en el Universo. Los relojes que portan los observadores en las galaxias difieren del reloj que mejor describe la expansión promedio una vez que las variaciones dentro del Universo (conocidas como "inhomogeneidad" en el medio) se vuelven significativas.

 

Si uno deduce o no la aceleración de la expansión, entonces depende crucialmente del reloj utilizado.

 

"La cosmología de escape temporal le da un ajuste ligeramente mejor al catálogo de datos de supernova más grande que la cosmología Lambda de Materia Oscura Fría", dice Wiltshire. Admite que la evidencia estadística aún no es lo suficientemente sólida como para fallar definitivamente a favor de un modelo sobre el otro, y agrega que futuras misiones como la nave espacial Euclides de la Agencia Espacial Europea tendrán el poder de distinguir entre los diferentes modelos de cosmología.

 

Otro problema que involucra la comprensión científica de las supernovas Tipo 1a,  es que en realidad no son candelas estándar perfectas, a pesar de ser tratadas como tales en los cálculos.

 

Dado que la cosmología de escape temporal utiliza una ecuación diferente para la expansión promedio, ofrece a los científicos una nueva forma de probar los cambios en las propiedades de las supernovas a distancia. Sin importar qué modelo finalmente se ajuste mejor, una mejor comprensión de esto aumentará la confianza con la que los científicos pueden usarlos como indicadores de distancia precisos.

 

Responder preguntas como estas ayudará a los científicos a determinar si la energía oscura es real o no, un paso importante para determinar el destino final del Universo.