Energía oscura

Una especie de fuerza cósmica repulsiva fue hipotetizada por primera vez por Albert Einstein en 1917 y fue representada por un término, la «constante cosmológica», que Einstein introdujo a regañadientes en su teoría de la relatividad general para contrarrestar la fuerza de atracción de la gravedad y explicar un universo que se suponía estático (ni en expansión ni en contracción). Tras el descubrimiento en la década de 1920 por el astrónomo estadounidense Edwin Hubble de que el universo no es estático, sino que se expande, Einstein se refirió a la adición de esta constante como su «mayor error». Sin embargo, la cantidad de materia medida en el balance masa-energía del universo era improbablemente baja y, por tanto, se requería algún «componente ausente» desconocido, muy parecido a la constante cosmológica, para compensar el déficit. En 1998 se presentaron por primera vez pruebas directas de la existencia de este componente, al que se denominó energía oscura.

La energía oscura se detecta por su efecto sobre el ritmo de expansión del universo y su efecto sobre el ritmo de formación de estructuras a gran escala, como galaxias y cúmulos de galaxias, a través de inestabilidades gravitacionales. La medición de la tasa de expansión requiere el uso de telescopios para medir la distancia (o el tiempo de viaje de la luz) de los objetos vistos a diferentes escalas de tamaño (o desplazamientos al rojo) en la historia del universo. Estos esfuerzos suelen estar limitados por la dificultad de medir con precisión las distancias astronómicas. Dado que la energía oscura actúa en contra de la gravedad, más energía oscura acelera la expansión del universo y retrasa la formación de estructuras a gran escala. Una técnica para medir la velocidad de expansión consiste en observar el brillo aparente de objetos de luminosidad conocida, como las supernovas de tipo Ia. La energía oscura fue descubierta en 1998 con este método por dos equipos internacionales que incluían a los astrónomos estadounidenses Adam Riess (el autor de este artículo) y Saul Perlmutter y al astrónomo australiano Brian Schmidt. Los dos equipos utilizaron ocho telescopios, entre ellos los del Observatorio Keck y el Observatorio MMT. Las supernovas de tipo Ia que explotaron cuando el universo tenía sólo dos tercios de su tamaño actual eran más débiles y, por tanto, más lejanas de lo que serían en un universo sin energía oscura. Esto implica que el ritmo de expansión del universo es más rápido ahora que en el pasado, resultado del dominio actual de la energía oscura. (La energía oscura era insignificante en el universo primitivo.)

El estudio del efecto de la energía oscura en la estructura a gran escala implica la medición de sutiles distorsiones en las formas de las galaxias que surgen de la flexión del espacio por la materia interviniente, un fenómeno conocido como «lente débil». En algún momento de los últimos miles de millones de años, la energía oscura pasó a ser dominante en el universo e impidió que se formaran más galaxias y cúmulos de galaxias. Este cambio en la estructura del universo es revelado por la lente débil. Otra medida proviene del recuento del número de cúmulos de galaxias en el universo para medir el volumen del espacio y la velocidad a la que ese volumen aumenta. Los objetivos de la mayoría de los estudios observacionales de la energía oscura son medir su ecuación de estado (la relación entre su presión y su densidad de energía), las variaciones de sus propiedades y el grado en que la energía oscura proporciona una descripción completa de la física gravitacional.

En la teoría cosmológica, la energía oscura es una clase general de componentes en el tensor de tensión-energía de las ecuaciones de campo en la teoría de la relatividad general de Einstein. En esta teoría, existe una correspondencia directa entre la materia-energía del universo (expresada en el tensor) y la forma del espacio-tiempo. Tanto la densidad de materia (o energía) (una cantidad positiva) como la presión interna contribuyen al campo gravitatorio de un componente. Mientras que los componentes conocidos del tensor tensión-energía, como la materia y la radiación, proporcionan una gravedad atractiva al curvar el espacio-tiempo, la energía oscura provoca una gravedad repulsiva a través de la presión interna negativa. Si la relación entre la presión y la densidad de energía es inferior a -1/3, una posibilidad para un componente con presión negativa, ese componente será gravitatoriamente autorrepulsivo. Si tal componente domina el universo, acelerará la expansión del universo.

La explicación más sencilla y antigua de la energía oscura es que se trata de una densidad de energía inherente al espacio vacío, o una «energía de vacío». Matemáticamente, la energía del vacío equivale a la constante cosmológica de Einstein. A pesar del rechazo de la constante cosmológica por parte de Einstein y otros, la comprensión moderna del vacío, basada en la teoría cuántica de campos, es que la energía del vacío surge de forma natural de la totalidad de las fluctuaciones cuánticas (es decir, pares virtuales de partícula-antipartícula que llegan a existir y se aniquilan entre sí poco después) en el espacio vacío. Sin embargo, la densidad de energía observada en el vacío cosmológico es de ~10-10 ergs por centímetro cúbico; el valor predicho por la teoría cuántica de campos es de ~10110 ergs por centímetro cúbico. Esta discrepancia de 10120 se conocía incluso antes del descubrimiento de la energía oscura, mucho más débil. Aunque todavía no se ha encontrado una solución fundamental a este problema, se han planteado soluciones probabilísticas, motivadas por la teoría de cuerdas y la posible existencia de un gran número de universos desconectados. En este paradigma, el valor inesperadamente bajo de la constante se entiende como resultado de un número aún mayor de oportunidades (es decir, de universos) para la ocurrencia de diferentes valores de la constante y la selección aleatoria de un valor lo suficientemente pequeño como para permitir la formación de galaxias (y, por tanto, de estrellas y vida).

Otra teoría popular para la energía oscura es que se trata de una energía transitoria del vacío resultante de la energía potencial de un campo dinámico. Conocida como «quintaesencia», esta forma de energía oscura variaría en el espacio y el tiempo, proporcionando así una posible manera de distinguirla de una constante cosmológica. También es similar en mecanismo (aunque muy diferente en escala) a la energía de campo escalar invocada en la teoría inflacionaria del big bang.

Otra posible explicación de la energía oscura son los defectos topológicos en el tejido del universo. En el caso de defectos intrínsecos en el espacio-tiempo (por ejemplo, cuerdas o paredes cósmicas), la producción de nuevos defectos a medida que el universo se expande es matemáticamente similar a una constante cosmológica, aunque el valor de la ecuación de estado para los defectos depende de si los defectos son cuerdas (unidimensionales) o paredes (bidimensionales).

También ha habido intentos de modificar la gravedad para explicar las observaciones cosmológicas y locales sin necesidad de energía oscura. Estos intentos invocan desviaciones de la relatividad general en escalas de todo el universo observable.

Un reto importante para entender la expansión acelerada con o sin energía oscura es explicar la ocurrencia relativamente reciente (en los últimos miles de millones de años) de la casi igualdad entre la densidad de la energía oscura y la materia oscura a pesar de que deben haber evolucionado de manera diferente. (Para que se hayan formado estructuras cósmicas en el universo primitivo, la energía oscura debe haber sido un componente insignificante). Este problema se conoce como el «problema de la coincidencia» o el «problema del ajuste fino». Entender la naturaleza de la energía oscura y sus muchos problemas relacionados es uno de los retos más formidables de la física moderna.