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Durante el siglo XX, la idea de que el Universo existía en un estado estacionario fue seriamente cuestionada y finalmente descartada por el descubrimiento de que el Universo no solo se está expandiendo, sino que también lo está haciendo a un ritmo acelerado. Hasta el momento se desconoce la razón de esta expansión acelerada, pero los científicos le han dado un nombre a esta fuerza, aunque es un marcador de posición de energía oscura.

Explicar esta tasa acelerada de expansión se ha convertido en uno de los problemas más desafiantes de la cosmología. El hecho de que el valor de esta aceleración varíe enormemente entre la teoría y las observaciones prácticas ha creado una serie de problemas en sí mismo. Esto significa que el resultado neto que surge de cualquier intento de explicar la energía oscura crea más preguntas de las que responde.

Energía Oscura: Lo Básico

Ilustración que muestra instantáneas de una simulación que muestra el crecimiento de la estructura cósmica (galaxias y vacíos) cuando el universo tenía 900 millones, 3200 millones y 13 700 millones de años (ahora). (Volker Springel/MPE/Fundación Kavli)

La energía oscura es lo que está causando que la expansión del Universo se acelere. Una de las cosas más sorprendentes de esta energía misteriosa es la cantidad de cosas que representa en el Universo. Si considera que el contenido del cosmos es materia y energía, más formalmente conocido como la densidad de masa y energía del Universo, entonces la energía oscura representa entre el 68% y el 72% de toda la materia cósmica.

La materia oscura es el segundo mayor contribuyente, con solo una pequeña proporción de la materia del Universo compuesta por la materia bariónica que consiste en átomos que vemos a nuestro alrededor en el día a día.

Esto es aún más sorprendente si se tiene en cuenta que todas las estrellas, planetas, polvo, gas y cuerpos cósmicos que componen el Universo visible están contenidos en esta pequeña fracción de material cósmico que ni siquiera llega al 5% del contenido del Universo.

La energía oscura podría describirse muy aproximadamente como una fuerza que actúa en oposición a la gravedad. Mientras que la fuerza de gravedad cotidiana más familiar mantiene unidos en órbitas objetos como planetas y estrellas, la energía oscura actúa como una fuerza repulsiva, separando las galaxias. Pero, mientras que la gravedad actúa sobre los propios objetos, la energía oscura actúa sobre el tejido mismo del espacio-tiempo entre los objetos. Debido a que la materia oscura es el mayor contribuyente a la gravedad, esto significa que esta sustancia misteriosa está encerrada en lo que se ha denominado un tira y afloja cósmico. ¡Y está claro que durante nuestra época actual, la energía oscura está ganando!

Una analogía popular para esto es la descripción del Universo como la superficie de un globo. Las galaxias están representadas por dos puntos de tinta de marcador en esta superficie. A medida que el globo se infla, las puntas se separan y el mismo espacio entre ellas se expande.

Repita el experimento con tres puntos colocados de manera desigual y está claro que los puntos que inicialmente están más separados se alejan entre sí más rápidamente. Esta analogía extremadamente aproximada se traslada a las galaxias. Cuanto más separadas están las galaxias, más rápidamente retroceden.

El universo en expansión como la superficie de un globo (Bianchi, E., Rovelli, C. & Kolb, R. ¿Es la energía oscura realmente un misterio?. Nature 466, 321322 (2010). https://doi.org/10.1038/ 466321a)

Una sorpresa en expansión

El descubrimiento de que el Universo se está expandiendo conmocionó considerablemente a la comunidad científica cuando Edwin Hubble lo confirmó en 1929. El Hubble se basó en la teoría proporcionada por George Lemaitre y Alexander Friedman, quienes utilizaron las ecuaciones de la relatividad general para predecir que el El universo no era estático, algo que contradecía mucho el consenso científico de la época.

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Albert Einstein, quien ideó la relatividad general, también descubrió que su teoría geométrica de la gravedad predecía un universo no estático, algo con lo que no se sentía exactamente cómodo. A pesar de haber matado ya a muchas de las vacas sagradas de la física, Einstein no estaba dispuesto a acabar con el concepto de un Universo estático. Para recuperar un Universo estático que no se expandía ni se contraía, el científico más famoso del mundo introdujo en sus ecuaciones un factor de error llamado constante cosmológica, comúnmente representada con la letra griega lambda.

La constante cosmológica estuvo en peligro desde el principio. Una vez que Hubble logró persuadir a Einstein de que el Universo se estaba expandiendo, el físico abandonó la constante cosmológica y supuestamente la describió como su mayor error en sus últimos años. Sin embargo, la constante cosmológica no permanecería en el basurero cosmológico por mucho tiempo.

Si a los físicos les hubiera sorprendido el descubrimiento a principios del siglo XX de que el Universo se está expandiendo, se quedarían boquiabiertos cuando a finales de ese mismo siglo, cuando las observaciones de supernovas distantes realizadas por dos equipos separados de astrónomos revelaron que no solo que el Universo se está expandiendo, lo está haciendo a un ritmo acelerado.

Para comprender por qué esto es impactante y cómo lleva a la conclusión de que alguna fuerza repulsiva está impulsando esta expansión, es necesario viajar hasta el principio de los tiempos. Tomemos también algunos globos.

Escapando del Gran Crujido

Un diagrama de la expansión del Universo. Esta expansión acelerada del Universo podría explicarse por un modelo temprano de energía oscura. (NASA/Equipo WMAP). Crédito: NASA

Al pensar en la expansión inicial del Universo, tiene sentido concluir que la introducción de una fuerza de atracción dentro de ese Universo ralentizaría y eventualmente detendría esta expansión. Eso es exactamente lo que debería hacer la gravedad, y parece que lo hizo durante las primeras etapas de expansión que no tenían nada que ver con la energía oscura (creemos).

Algunos cosmólogos están dispuestos a ir un paso más allá. Si no hay presión hacia afuera sino una fuerza de atracción hacia adentro, ¿no debería el Universo realmente comenzar a contraerse?

Esto lleva a la teoría de que el Universo terminará en lo que los físicos llaman la idea de Big Crunchan de que la energía oscura podría volver obsoleta. Piense en lo contrario a la intuición que fue esto para los científicos cuando la idea fue sugerida y evidenciada por primera vez. Volvamos a la analogía del globo; imagina que dejas de soplar en el globo y, en cambio, empiezas a succionar el aire.

¿Qué tan sorprendido estaría si descubriera que el globo no se está contrayendo, sino que continúa expandiéndose? Y no solo eso, ¡en realidad se está expandiendo más rápido que cuando estabas soplando!

Con eso en mente, considere los momentos iniciales del Universo. Comenzando en un estado indescriptiblemente denso y caliente, comprimido en una mota cuántica, el Universo pasa por un período de rápida expansión. Este período de expansión no fue impulsado por la energía oscura. A medida que se expande, el Universo se enfría permitiendo que los electrones formen átomos con protones y neutrones, lo que a su vez libera fotones para viajar por el cosmos.

Pronto habrá suficiente materia en el Universo para permitir que la fuerza de atracción de la gravedad frene su expansión. Y esto parece ser lo que sucedió en el cosmos primitivo. Se cree que la rápida inflación del Universo infantil se detuvo alrededor de 10 a 32 segundos después del Big Bang, con el Universo aún expandiéndose, aunque a un ritmo mucho más lento.

Informe del estudio de evaluación Euclid

Este período de expansión continuó desacelerándose como resultado del creciente dominio de la materia durante lo que los cosmólogos llaman la época dominada por la materia. Pero, alrededor de los 9.800 millones de años en los 13.800 millones de años de historia del Universo, algo extraño comienza a suceder. El Universo comienza a expandirse nuevamente, esta vez a un ritmo acelerado.

Este es el amanecer de la época dominada por la energía oscura.

La constante cosmológica ha vuelto y sigue causando problemas

Las observaciones del corrimiento hacia el rojo de supernovas distantes a fines de la década de 1990 mostraron a los cosmólogos que no solo el Universo se estaba expandiendo, sino que lo estaba haciendo a un ritmo acelerado. (ESO)

Eso explica por qué la expansión acelerada del Universo es tan preocupante y la necesidad de introducir el concepto de marcador de posición de la energía oscura para explicarlo. Sin embargo, esta expansión acelerada aún necesitaría una representación matemática en las ecuaciones utilizadas para describir el Universo. Para hacer esto, los cosmólogos volverían a la constante cosmológica y su símbolo, lambda.

Esta nueva iteración de la constante cosmológica se usaría de manera diferente a la versión de Einstein. Mientras que la constante cosmológica anterior se usaba para equilibrar la gravedad y mantener el Universo estable y estático, esta nueva versión se usaría para superar la gravedad y explicar la aceleración de su expansión. Pero, este uso revisado de la constante cosmológica no significa que sea menos problemático que lo que Einstein había encontrado a su predecesor.

De hecho, la diferencia entre el valor medido de las constantes cosmológicas, que se encuentra al medir el corrimiento al rojo de las supernovas distantes de Tipo Ia, difiere del valor predicho por la teoría cuántica de campos y la física de partículas en un valor tan grande como 10 121 (eso es 1 seguido de 121 ceros). ). Por lo tanto, no debería sorprender que este valor haya sido descrito como la peor predicción en la historia de la física.

Y como representa la acción de la energía oscura, eso hace que la energía oscura sea el mayor enigma de la cosmología.

OK, pero ¿qué es la energía oscura?

Entonces, a estas alturas, es posible que esté pensando que todo esto está bien, pero este artículo pregunta específicamente qué es la energía oscura. ¿No es hora de llegar a responder a esta pregunta? No debería sorprender que la respuesta sea que nadie lo sepa. Pero eso no significa que los cosmólogos no tengan muy buenas ideas.

Una de las explicaciones de la energía oscura dice que podría ser energía del vacío, una energía de fondo subyacente que impregna ese Universo y está representada por la constante cosmológica. La evidencia más comúnmente citada para la energía del vacío es la energía del espacio vacío que se manifiesta como el efecto Casimir.

Sin profundizar demasiado en esto, como la relatividad establece que la energía y la masa son equivalentes y la masa tiene efectos gravitatorios, entonces es lógico que si el espacio vacío tiene energía del vacío, esto también debería contribuir al efecto de la gravedad en todo el cosmos. Esa contribución se ha tenido en cuenta como una influencia repulsiva negativa que actúa contra la influencia atractiva de la gravedad.

Existen muchas explicaciones para la energía oscura, incluida la posibilidad de que la relatividad general sea incorrecta y la energía oscura no exista en absoluto.

El gran problema con esto es que la teoría del campo cuántico sugiere que esta contribución de presión negativa de la energía del vacío debería surgir de todas las partículas y, por lo tanto, debería dar a lambda un valor que es tremendamente mayor que el obtenido cuando nuestros astrónomos miden el corrimiento al rojo de las supernovas de Tipo Ia en galaxias lejanas.

Este problema podría resolverse por los efectos de las energías oscuras que son el resultado de algo más que la energía del vacío, por supuesto. La expansión acelerada del Universo podría deberse a alguna fuerza fundamental de la naturaleza aún no descubierta. Alternativamente, podría indicar que nuestra mejor teoría actual de la relatividad general de la gravedad es incorrecta.

Actualmente, una nueva generación de cosmólogos está abordando activamente el rompecabezas de la energía oscura con ideas nuevas y revolucionarias. Estos incluyen la idea de que la energía oscura podría haber comenzado a funcionar en el Universo temprano, una idea propuesta por los modelos del Universo Early Dark Energy (EDE). Otra alternativa es que la energía oscura no influya en la curvatura del Universo, o tal vez lo haga débilmente, una teoría conocida como la constante cosmológica del buen comportamiento.

Tan insatisfactoria como es la respuesta, la única forma honesta de abordar la pregunta ¿qué es la energía oscura? ahora mismo es diciendo; simplemente no lo sabemos. Pero, la ciencia no sería tan fascinante sin misterios por resolver e ideas revolucionarias por descubrir.

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