El misterio de la energía oscura
Desde el principio hasta el fin del universo El misterio de la energía oscura.
Por Bruce Dorminey.
Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero O. ALDA.
01 de febrero de 2021.
El Universo no solo se está expandiendo, se está acelerando.
En 1998, los investigadores descubrieron que algo estaba provocando que la expansión del Universo se acelerara.
Crédito: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.
Durante casi un siglo, los astrónomos han sabido que el Universo se está expandiendo. El espacio-tiempo se extiende a lo largo de miles de millones de años luz, separando las galaxias que contiene, como pasas incrustadas en una hogaza de pan que se eleva. Esta expansión constante, enfrentada al impulso del cosmos de colapsar bajo su propia gravedad, significa que hay dos escenarios principales sobre cómo terminará el Universo. Estos escenarios se denominan Big Crunch (Gran Crujido), donde la gravedad supera la expansión y contrae el Universo y el Big Bang ocurre al revés, y la Big Freeze (Gran Congelación), donde la gravedad pierde frente a la expansión y toda la materia está aislada por distancias insondables.
Durante un tiempo, los investigadores creyeron que el destino del Universo se inclinaba hacia el escenario final. Pero, a fines de la década de 1990, los astrónomos descubrieron algo inesperado que cambió nuestra comprensión del futuro del Universo: las galaxias más distantes no solo se estaban alejando de nosotros. Se estaban acelerando.
Un rompecabezas cosmológico.
Este fenómeno fue descubierto de forma independiente por dos equipos de astrónomos que estaban midiendo supernovas distantes para calcular la velocidad precisa a la que el Universo se expandía, esperando encontrarlo en una etapa de desaceleración. Tres de estos científicos, Saul Perlmutter, Adam Riess y Brian Schmidt, compartieron el Premio Nobel de Física 2011 por su descubrimiento.
Las observaciones premiadas provienen de un estudio de supernovas distantes de tipo Ia. Los astrónomos creen que estas explosiones se desencadenan cuando una enana blanca, el denso remanente de una estrella similar al Sol, acumula materia que la empuja por encima de un límite de masa física. Ese límite es el mismo para todas las enanas blancas, lo que hace que todas las supernovas de tipo Ia tengan el mismo brillo verdadero. Esta propiedad convirtió a estas supernovas en marcadores de distancia estándar ideales, o velas estándar, a mediados de la década de 1990.
Los dos equipos en realidad estaban mirando hacia atrás en el tiempo para el inicio de la desaceleración cósmica: estaban buscando el punto en el tiempo en el que la gravedad ganó la ventaja sobre la rápida aceleración del cosmos después del Big Bang. Este momento marcaría un cambio radical, ya que la gravedad finalmente comenzó a disminuir la velocidad a la que las galaxias y los cúmulos de galaxias se separan entre sí por la expansión del Universo.
Dado que los científicos conocen el verdadero brillo de las velas estándar, podrían anticipar qué tan brillantes serían estas distantes supernovas si la expansión se ralentizara. Pero en cambio, encontraron que las supernovas de tipo Ia observadas eran un 25 por ciento más débiles de lo esperado, lo que demuestra que la expansión del Universo no se está desacelerando, sino que se está acelerando.
A finales de 1998, ambos equipos habían enviado artículos que detallaban sus hallazgos a revistas académicas. El equipo de Perlmutter publicó su artículo en The Astrophysical Journal y el equipo de Riess y Schmidt lo publicó en The Astronomical Journal.
La conclusión de ambos: un gran porcentaje del Universo está formado por algo inesperado y no descubierto previamente. Y esta llamada energía oscura está dominando la gravedad y alejando el espacio-tiempo desde adentro.
Muchas piezas faltantes.
La composición del Universo es sorprendentemente difícil de precisar. Además de la energía oscura, el espacio también está lleno de una forma invisible de materia conocida como materia oscura. Los astrónomos ahora saben que la materia visible normal constituye solo el 5 por ciento del Universo, mientras que la enigmática materia oscura y la energía oscura constituyen el 26 por ciento y el 69 por ciento, respectivamente. En otras palabras, los astrónomos no comprenden realmente de qué está hecho el 95 por ciento del Universo.
E incluso décadas después de su descubrimiento, los científicos todavía saben sorprendentemente poco sobre las fuerzas "oscuras" que gobiernan nuestro Universo. “Comprender y medir la materia oscura y la energía oscura es difícil”, dice Riess. "Imagínese dando tumbos en una habitación oscura, tocando ocasionalmente un elefante, sin haber visto nunca uno, y tratando de entender qué es, cómo se ve".
Pero la habitación oscura es del tamaño del Universo y en lugar de tocar al elefante, los astrónomos solo pueden ver los efectos que tiene en otros objetos. Los astrónomos pueden ver que la materia oscura interactúa gravitacionalmente con la materia visible, por lo que sospechan que está formada por una o más partículas desconocidas. La energía oscura podría ser una quinta fuerza fundamental del Universo. Las cuatro conocidas son: la fuerza débil, la fuerza fuerte, la gravedad y el electromagnetismo. Pero sus propiedades exactas siguen siendo un misterio, especialmente porque la energía oscura parece haberse activado al azar. Riess dice que las mediciones más recientes muestran que la energía oscura realmente inició esta aceleración hace unos 5 mil millones a 6 mil millones de años, y ha sido la fuerza dominante desde entonces.
La explicación más simple para la energía oscura es que es la energía intrínseca del propio espacio. Albert Einstein introdujo inicialmente un concepto de este tipo para permitir un Universo plano al presentar su teoría de la relatividad. La llamada constante cosmológica de Einstein es una fuerza repulsiva que contrarresta la fuerza de atracción de la gravedad para permitir un Universo que no se colapsa ni se expande. Pero, al final, Einstein descartó su concepto después de que Edwin Hubble observó la expansión del Universo. El trabajo de supernovas ganadoras del Nobel en la década de 1990 resucitó la constante cosmológica y la relacionó con la energía oscura.
Lo que nos espera.
Para resolver en última instancia este rompecabezas de la energía oscura, Riess dice que los científicos necesitarán más que solo mediciones. Los mejores físicos teóricos del mundo han intentado elaborar una gran teoría unificada de la física que explique completamente todos los aspectos del Universo. Pero hasta ahora, la gravedad y la física cuántica no parecen encajar, a pesar de que los teóricos creen que su unificación es esencial para cualquier teoría que también explique la energía oscura.
Sin embargo, una cosa que los científicos han podido descubrir es el profundo impacto que tendrá la energía oscura en el Universo en un futuro lejano.
Si la contribución de la energía oscura aumenta a medida que el Universo envejece, este se expandirá progresivamente más rápido con el tiempo. Otras galaxias más allá de nuestro Grupo Local, que se habrán fusionado en una sola galaxia gigante apodada Milkomeda, eventualmente serán transportadas a distancias tan grandes que ningún ocupante futuro de nuestro Sistema Solar podría verlas.
Aunque los astrónomos no pueden ver la materia oscura directamente, pueden inferir su ubicación a partir de las observaciones. La distribución de la materia oscura (magenta) en el supercúmulo Abell 901/902 se revela en esta foto al combinar una imagen de luz visible del supercúmulo y un mapa de materia oscura del área.
Crédito: luz visible: ESO, C. Wolf (Universidad de Oxford, Reino Unido), K. Meisenheimer (Instituto Max-Planck de Astronomía, Heidelberg) y el equipo COMBO-17.
Mapa de la materia oscura: NASA, ESA, C. Heymans (Universidad de Columbia Británica, Vancouver), M. Gray (Universidad de Nottingham, Reino Unido), M. Barden (Innsbruck) y la colaboración STAGES.
De hecho, Alexei Filippenko, astrónomo de la Universidad de California, Berkeley, que ha trabajado con ambos equipos que descubrieron la energía oscura, dice: "Si se pierden todos los registros, es posible que las civilizaciones futuras nunca sepan acerca de otras galaxias". Para ellos, dice, "El Universo será un lugar frío, oscuro y solitario".
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