Energía oscura

Firma invitada

La Facultad de Ciencias de Bilbao comenzó su andadura en el curso 1968/69. 50 años después la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU celebra dicho acontecimiento dando a conocer el impacto que la Facultad ha tenido en nuestra sociedad. Publicamos en el Cuaderno de Cultura Científica y en Zientzia Kaiera una serie de artículos que narran algunas de las contribuciones más significativas realizadas a lo largo de estas cinco décadas.

Permítanme iniciar este escrito con un experimento imaginario. Supongamos que contamos con una manzana y la tiramos hacia arriba con cierta velocidad desde la superficie de la Tierra. Todos sabemos que ocurrirá después. La manzana ascenderá durante un tiempo, a medida que asciende la velocidad de la manzana disminuirá hasta llegar al punto álgido de su trayectoria en el que se parará. Todos hemos hecho este experimento en algún momento y entendemos perfectamente lo que ocurre. La atracción gravitatoria de la Tierra sobre la manzana ejerce una fuerza hacia abajo que se opone a la velocidad inicial de ésta. Esta fuerza produce una deceleración de la manzana hasta que se para en el punto más alto.

¿Pero qué pasaría si al repetir este experimento observásemos que la manzana llega hasta un punto y después se acelera y aumenta su velocidad ascendente hasta desaparecer en el cielo? Creo que estaremos todos de acuerdo en que si eso ocurriese nos sorprenderíamos un poco… Esto se debe, como digo, a que creemos que entendemos lo que ocurre en este experimento y no conocemos ninguna fuerza que empuje a la manzana hacia arriba. Pero permítanme que insista… ¿qué pasaría si lo observásemos? En ese caso, tendríamos que afrontar la realidad. Alguna de las suposiciones que habíamos hecho y que creíamos ciertas ha de ser incorrecta. ¿Pero cuál?

Antes de dejarnos llevar por el desasosiego causado por esta observación y de cuestionar nuestros conocimientos de física general y/o la validez de las ecuaciones de Newton, recordemos con cierto alivio que este era un experimento imaginario. Sin embargo, ilustra muy bien el estado de ánimo de la mayoría de la comunidad de científicos dedicados a la cosmología a finales del siglo pasado, en concreto en 1998. El origen de su preocupación no era una hipotética manzana voladora sino los resultados de ciertas observaciones cosmológicas realizadas por aquel entonces. Estas observaciones mostraban que nuestro universo no sólo se expande sino que se encuentra actualmente en un proceso de expansión acelerada. Esto es, la expansión del universo es cada vez más rápida hoy en día. Muchos cosmólogos se mostraron escépticos al principio con estos resultados esperando quizás, como en otros casos ha ocurrido, que la repetición de la observación diese lugar a otro resultado más acorde con nuestra intuición. Pero esto nunca ocurrió, de hecho, observaciones posteriores han corroborado este hallazgo hasta el punto que hoy en día prácticamente nadie las pone en duda. Pero, ¿porqué esperaba la comunidad científica otro tipo de resultado? La razón es simple; la situación es muy semejante al caso imaginario de la manzana.

La evolución del universo desde sus orígenes y su reciente entrada en un periodo de expansión acelerada. Fuente: Wikimedia Commons

Como todo el mundo sabe, el universo se inició con una gran explosión (el Big Bang) que dio lugar a la condición inicial de expansión cosmológica (la situación análoga a la velocidad inicial de la manzana). Por otro lado la acción gravitatoria de la materia en el universo es atractiva y por lo tanto parece lógico concluir que la expansión del universo se verá ralentizada por la acción de la gravedad de la misma forma que la velocidad de la manzana disminuye con el paso del tiempo. Es por esto por lo que uno esperaría que el universo se expandiese cada vez más despacio o incluso que pudiese llegar un momento donde esta expansión se detuviese iniciando así un proceso de colapso. Sin embargo, los datos indicaban lo contrario, el universo se encontraba inmerso en un período de expansión acelerada. Es decir, el universo parecía comportarse como la manzana en nuestro inquietante experimento imaginario, se expande de forma acelerada en contra de lo que esperaríamos. Este ha sido, sin lugar a dudas, uno de los descubrimientos más sorprendentes de la física y la cosmología en los últimos 50 años.

Una vez pasado el shock inicial no queda otro remedio que asumir el resultado, no tiene sentido negar la evidencia observacional. La comunidad científica se preguntó entonces cuál de los supuestos anteriores debe relajarse para poder acomodar los resultados dentro de un marco teórico coherente con estas observaciones. A continuación describiremos algunas de estas posibilidades.

En primer lugar una posibilidad clara es que las ecuaciones de gravedad, las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General, no funcionen a estas escalas y por lo tanto deban ser modificadas de tal manera que esta aceleración aparezca de forma natural como producto de esta alteración.

Otra posibilidad es que las ecuaciones de Einstein estén perfectamente como están y que simplemente exista otro tipo de materia que de lugar a que el universo se expanda cada vez más rápido cuando ésta domina sobre las otras formas de materia más comunes. ¿Pero qué tipo de materia puede dar lugar a una gravedad repulsiva?

Esto puede parecer una locura, ya que nuestra intuición nos dice que esto no ocurre en la Naturaleza. Sin embargo una de las características que se puede ver estudiando las ecuaciones de la Relatividad General aplicada a la cosmología, es que la evolución del universo no sólo está marcada por la densidad de energía (la masa) de la materia, sino también por su presión. Si uno considera un material con una gran dosis de presión negativa (la presión negativa es similar a la tensión presente en las gomas elásticas, por ejemplo.), su efecto puede contrarrestar la usual atracción de la materia y dar lugar a este efecto de gravedad repulsiva.

Lo realmente interesante de esta historia es que la primera persona que propuso la existencia de este tipo de materia fue el mismo Einstein mucho antes de que se realizasen estas observaciones. Einstein postuló la presencia de un nuevo término en sus ecuaciones que designó con el nombre de constante cosmológica. Este término era necesario para encontrar un punto de equilibrio en el que el universo pudiese ser estático, algo que en 1917 parecía la única opción válida. En este punto de equilibrio las fuerzas de atracción de la materia común tendrían su contrapunto perfecto con el efecto repulsivo originado por este nuevo término en las ecuaciones. Esta idea fue, según cuentan, descrita por el mismo Einstein como – “Uno de los mayores errores en mi vida…” y con razón, ya que pocos años más tarde Edwin Hubble descubrió las primeras evidencias de la expansión del universo. Sin embargo, este término, repudiado por Einstein después de las observaciones de Hubble y por mucha gente ignorado durante largo tiempo, volvió a la primera línea de investigación cuando se descubrió la reciente (en escalas cosmológicas) aceleración del universo.

Sin embargo, la idea de incluir una constante cosmológica para satisfacer las observaciones de la expansión acelerada del universo no está exenta de problemas. Es importante darse cuenta que el valor de la constante cosmológica recibe contribuciones de cualquier componente de la energía de vacío. Sí, el vacío en física no es exactamente lo que comúnmente conocemos por vacío (ausencia de todo, tanto de masa, como de energía) sino que tiene propiedades análogas a los materiales, en particular tiene una energía y una presión asociadas a él. Esto es debido a que la mecánica cuántica nos enseña que ni siquiera el vacío está libre de las pequeñas fluctuaciones de los campos que viven en él y que dan lugar a las partículas que conocemos. Son precisamente estas fluctuaciones cuánticas las que dan al vacío unas características idénticas a la constante cosmológica. Por otro lado, todos los intentos por estimar esta contribución a la energía de vacío basados en nuestro conocimiento presente de la mecánica cuántica y la gravedad dan unos resultados que se alejan en muchos órdenes de magnitud de la cantidad observada. Un universo con una constante cosmológica mucho mayor sería totalmente incompatible con la formación de estructuras como las galaxias y nuestra existencia. Este resultado realmente embarazoso nos indica que posiblemente debamos recurrir a nuevas ideas a la hora intentar dar algún paso adelante en nuestro entendimiento de este fenómeno.

Las fluctuaciones cuanticas dotan al vacio de propiedades como densidad de energia o presion que determinan su efectos cosmologicos. Fuente: Wikimedia Commons

Una de las ideas nuevas que ha surgido en estos últimos años es la posibilidad de que no exista un solo valor de la constante cosmológica, sino un gran número de vacíos distintos con valores muy dispares de su energía de vacío, muchos de los cuales estarían dentro del rango de los valores observados. Esto sólo sería posible si la teoría fundamental diese lugar a muchos de esos vacíos. Lo interesante de esta idea es que la Teoría de Cuerdas (nuestro mejor candidato a una teoría fundamental de la gravedad cuántica) tiene precisamente esta propiedad y por lo tanto parece ser un buen candidato para acomodar este escenario.

Por otro lado existen otras maneras de obtener de forma efectiva la aceleración del universo mediante el diseño de una constante cosmológica variable. El interés de este tipo de modelos es su dinámica distinta a la constante cosmológica y a sus posibles implicaciones sobre el futuro del universo a largo plazo.

Todos estos modelos son conocidos con el nombre genérico de Energía Oscura. Este es el nombre que se ha elegido para describir el tipo de materia (o energía) que da lugar a esta aceleración del universo, sea esta debida a una constante cosmológica o a una variación temporal de la energía del vacío. Existen varios experimentos que actualmente buscan mediante distintas observaciones ampliar nuestro conocimiento sobre las propiedades de esta energía oscura. Estas observaciones serán cruciales para ayudarnos a discernir entre los múltiples escenarios que hemos comentado.

El origen de la Energía Oscura es un problema muy complejo que toca áreas tan diversas como la Cosmología, la Gravitación, la Física de Partículas de Altas Energías y Teoría de Cuerda; temas todos ellos bien representados en los grupos de investigación del Departamento de Física Teórica de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU. Estos grupos estudian diversos aspectos de la energía oscura tanto desde el punto de vista puramente teórico como en su vertiente más fenomenológica.

Es justo reconocer que no tenemos en este momento una idea clara de cuál puede ser el origen de esta misteriosa energía. No obstante, la historia de la Física está plagada de grandes misterios que nos han permitido, mediante su resolución, avanzar en nuestro conocimiento. Esperemos que este caso no sea una excepción.

Sobre el autor: Jose Juan Blanco-Pillado es Ikerbasque Research Professor en el Departamento de Física Teórica del Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU

14 comentarios

  • Avatar de Pedro Garcia

    ¿Y si la manzana sigue en la mano?
    ¿Podrían esos datos de aceleración de expansión deberse a que aún estamos en fases muy iniciales del Big Bang?

  • Avatar de Javier Torregrosa

    Hola Jose Juan,

    Muchas gracias por el artículo.

    Y si la expansión del universo fuera ondulado?
    Es decir que haya momentos en los que el universo crezca de forma acelereada hasta un punto de aceleración máximo, luego desacelere hasta que llega a un punto y se detiene, luego se contrae acelerando y luego desacelerando. Esto a emma escala temporal bastante grande.

    Si estamos en un momento de aceleracion, tendríamos alguna forma de averiguarlo sin que pasaran millones de años para que cambiara el ritmo?

    Saludos

  • Avatar de Sebastián Cortés Figueredo

    No será que el universo, al expandirse, formaría un anillo que tendría más materia en el exterior que en el centro y esa matria sería la causante de una atracción externa causante de la aceleración?

  • Avatar de Vicenta

    Por favor, utilicen datos actualizados sobre la edad del universo, como los facilitados por la misión Planck.

  • Avatar de Horacio Isasa

    Se me ocurre pensar que esas fluctuaciones son coherentes con la mecanica cuantica en cuanto pueden estar en varios universos a la vez oscilando de uno a otro o a varios…

  • Avatar de Candela Rodríguez

    Una pregunta
    Si la materia oscura es precisamente la materia que produce estas variaciones temporales en la expansión de el universo, hablando por ejemplo de una teoría de el Big Bang en la cual el universo antes de su expansión se estaba comprimiendo así mismo hasta que comenzó a expandirse (solo supongo una teoría de tantas), ¿podría ser la materia oscura la materia predominante en los comienzos de los tiempos que conocemos antes del Big Bang?, ¿Y ésta sería la causante de la inmensa contracción y variación temporal que se produjo en tal supuesta explosión, o rebote, o simple expansión (asiendo referencia a las diferentes teorías del Big Bang)?

  • Avatar de JOSEPH

    Podría la energía oscura llegar a ser cuantificable o es simplemente infinita?. Si se creo durante el Big Bang, pudiera llegar a crearse cierta cantidad si se crea una situación similar a menor escala?.
    Ojalá alguien pudiera responder.
    Gracias.

  • Avatar de kelm

    Estudié Física, pero cada vez que oigo hablar de «vacío que no es vacío», «energía del vacío» o «constante cosmológica variable», a pesar de saber perfectamente de que están hablando…
    – Una constante que es variable, no es una constante –> póngase otro nombre o llámese «variable cosmológica» (¿que consecuencias se tendrían si dos espacios contiguos tuviesen diferente constante cosmológica variable?)
    – Un vacío que no es vacío, no es un vacío –> póngase otro nombre

    Nuestros antecesores a partir del siglo XVII pusieron nuevos nombres a lo que iban descubriendo
    ¿tan poca imaginación tenemos para poner nombres en el siglo XXI?

  • […] Esta observación ha servido, además, para comprobar que la velocidad de la luz y la de las ondas gravitacionales son la misma. La medición aporta una fiabilidad con un error de una parte en 10.000.000.000.000.000. Además de corroborar las predicciones de la Relatividad General, este dato nos ha permitido descartar toda una carpeta de teorías alternativas a la Relatividad General, que se habían planteado para resolver otro tipo de incógnitas cosmológicas. […]

  • […] Esta observación ha servido, además, para comprobar que la velocidad de la luz y la de las ondas gravitacionales son la misma. La medición aporta una fiabilidad con un error de una parte en 10.000.000.000.000.000. Además de corroborar las predicciones de la Relatividad General, este dato nos ha permitido descartar toda una carpeta de teorías alternativas a la Relatividad General, que se habían planteado para resolver otro tipo de incógnitas cosmológicas. […]

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