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Energía Oscura, Materia Oscura NASA


principios de la década de 1990, un aspecto de la expansión del Universo estaba prácticamente fuera de discusión. Podría haber suficiente densidad de energía para detener su expansión y colapsarse, podría haber tan poca densidad de energía que nunca dejaría de expandirse, pero a medida que el tiempo progresara la gravedad con certeza tenía que ir reduciendo la velocidad de expansión. De acuerdo, este “frenado” no había sido observado, pero, teóricamente, el Universo tenía que reducir su velocidad de expansión. El Universo está lleno de materia y la fuerza atractiva de la gravedad hace que la materia tienda a aglutinarse. Luego vino 1998, y con él las observaciones del Telescopio Espacial Hubble de supernovas muy distantes que demostraron que, mucho tiempo atrás, el Universo se estaba expandiendo de hecho más lentamente de lo que hoy lo hace. Esto implica que el Universo no ha estado reduciendo su velocidad de expansión debido a la gravedad, como todos suponían, sino todo lo contrario, la ha estado incrementando. Nadie esperaba esto, nadie sabía cómo explicarlo. Pero algo estaba provocando esta aceleración cósmica.

Eventualmente los teóricos propusieron tres tipos de explicaciones. Quizás era un resultado de una versión de la teoría de la gravedad de Einstein, descartada mucho tiempo atrás, en la que aparecía la llamada “constante cosmológica”. Quizás había algún tipo extraño de fluido de energía que llenaba todo el espacio. Quizás hay algo erróneo en la teoría de la gravedad de Einstein, y una nueva teoría que la reemplace podría incluir algún tipo de campo que produzca esta aceleración. Los teóricos todavía no saben cuál es la explicación correcta, pero a la solución le han dado ya un nombre: “energía oscura”.

¿Qué es la Energía Oscura?


Se desconoce más de lo que se sabe. Sabemos cuánta energía oscura hay porque sabemos cómo ésta afecta a la expansión del Universo. Aparte de eso, es un completo misterio. Pero es un importante misterio. Resulta ser que aproximadamente el 70% del Universo es energía oscura. La materia oscura constituye aproximadamente el 25%. El resto –todo en la Tierra, todo lo observado por todos nuestros instrumentos, toda la materia normal– totaliza menos del 5% del Universo. Pensándolo bien, en absoluto se le debería llamar materia “normal”, puesto que la misma representa tan sólo una pequeña fracción del Universo.

Universo en expansión. Este diagrama en forma de “copa” muestra los cambios en el ritmo de expansión desde el nacimiento del Universo, unos 14 mil millones de años atrás. Conforme avanza el tiempo, el Universo parece estar incrementando su velocidad de expansión. El diagrama cambia notoriamente aproximadamente 7.5 mil millones de años atrás, cuando los objetos en el Universo comenzaron a separarse a mayor ritmo. Los astrónomos teorizan que la expansión acelerada del Universo se debe a la acción de una misteriosa “energía oscura”, la cual actuaría sobre las galaxias acelerándolas. (NASA/STSci/Ann Feild)

Una explicación para la energía oscura es que ésta es una propiedad del espacio. Albert Einstein fue la primer persona en darse cuenta de que el espacio vacío no es sinónimo de nada. El espacio tiene asombrosas propiedades, muchas de las cuales están sólo comenzando a ser entendidas. La primera propiedad que Einstein descubrió es que es posible que surja más espacio. Luego una versión de la teoría de la gravedad de Einstein, la versión que contiene una constante cosmológica, hace una segunda predicción: el “espacio vacío” puede tener su propia energía. Puesto que esta energía es una propiedad del espacio mismo, no se diluiría a medida que el espacio se expande. Mientras va surgiendo más espacio, aparecería más de esta “energía del espacio”1. Como resultado, esta forma de energía haría que el Universo se expanda más y más rápido. Lamentablemente, nadie sabe si se debe o no incluir a esta constante, mucho menos el valor que tendría que tener para provocar la aceleración observada del Universo. Una explicación para el problema de cómo el espacio adquiere energía proviene de la teoría cuántica de la materia. En esta teoría, el “espacio vacío” está en realidad lleno de partículas (“virtuales”) temporales que continuamente se forman y luego desaparecen. Pero cuando los físicos trataron de calcular cuánta energía esto daría al espacio vacío, obtuvieron una respuesta equivocada, y por mucho. El número hallado resultó ser 10120 veces más grande. Es decir un 1 con 120 ceros detrás. Es difícil obtener una respuesta tan mala. Así que el misterio continúa.

Otra explicación para la energía oscura es que es un nuevo tipo de fluido o campo dinámico de energía, algo que llena todo el espacio, pero cuyo efecto sobre la expansión del Universo es el opuesto al de la materia y la energía normal. Algunos teóricos la han denominado “quintaesencia”, por el quinto elemento de los filósofos griegos. Pero, si la quintaesencia es la respuesta, todavía no sabemos qué es, con qué interactúa, o por qué existe. Así que el misterio continúa.

Una última posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein sea incorrecta. Eso no sólo afectaría a la expansión del Universo, sino que también afectaría la manera en que la materia normal de las galaxias y de los grupos de galaxias se comporta. Este hecho proporcionaría un medio para decidir si la solución al problema de la energía oscura es una nueva teoría de la gravedad o no: podríamos observar cómo las galaxias se agrupan. Pero si descubrimos que necesitamos una nueva teoría de la gravedad, ¿qué tipo de teoría sería?. ¿Cómo podría describir correctamente el movimiento de los cuerpos en el Sistema Solar, como se sabe que hace la teoría de Einstein, y todavía darnos la explicación que necesitamos para la expansión del Universo?. Hay teorías que son candidatas, pero no son convincentes. Así que el misterio continúa.

Lo que necesitamos para decidir entre estas posibilidades – una propiedad del espacio, un nuevo fluido dinámico, o una nueva teoría de la gravedad – es contar con más datos, mejores datos. La misión JDEM (Joint Dark Energy Mission, o Misión Conjunta para el Estudio de la Energía Oscura en español), es un proyecto, ahora en etapa de planificación, entre la NASA y el Departamento de Energía de los EEUU. Su meta será realizar observaciones del Universo gracias a las cuales los teóricos podrán discriminar entre las distintas teorías y, quizás, llegar a la solución del misterio.

¿Qué es la Materia Oscura?


Al ajustar un modelo teórico de la composición del Universo al conjunto combinado de observaciones cosmológicas, los científicos han determinado aproximadamente la composición que describimos con anterioridad: ~70% de energía oscura, ~25% de materia oscura, y ~5% de materia normal. Pero, ¿qué es la materia oscura?.

Estamos mucho más seguros de lo que la materia oscura “no” es, que de lo que en realidad es. Primero, es oscura, lo cual significa que no existe en forma de estrellas y planetas que podamos ver. Según los astrónomos, en el Universo hay muy poca materia visible como para constituir el 25% requerido por las observaciones. Segundo, la materia oscura no se manifiesta en forma de nubes oscuras de materia normal, materia constituida por partículas llamadas “bariones”2. Sabemos esto porque deberíamos ser capaces de detectar nubes bariónicas al estudiar la absorción de la radiación que pasa a través de ellas. Tercero, la materia oscura no es antimateria, porque no observamos los distintivos rayos gamma que se producen cuando la antimateria se aniquila con la materia. Finalmente, podemos descartar la existencia de agujeros negros supermasivos del tamaño de galaxias, sobre la base de cuántas lentes gravitacionales podemos ver. Las altas concentraciones de materia tienden a curvar la luz proveniente de objetos alejados que pasa cerca de ellas, pero no vemos la suficiente cantidad de lentes gravitacionales como para deducir que tales hipotéticos objetos representan el 25% del Universo.

Foto de NGC 4555. Esta enorme y solitaria galaxia elíptica está inserta en una nube de gas a 10 millones de grados Celsius. NASA/CXC/E.O'Sullivan et al. Esta imagen no es una fotografía de la materia oscura. Es una fotografía de sus efectos, capturada por el Observatorio Chandra de rayos-X. Es una galaxia rodeada por una nube de gas extremadamente caliente. Para que esta nube de gas permanezca alrededor de la galaxia, un halo de materia que no podemos ver debe estar reteniéndola allí con su gravedad.


Sin embargo, a estas alturas, todavía hay unas pocas posibilidades viables para explicar la naturaleza de la materia oscura. La materia bariónica aún podría explicar este misterio si la misma estuviera atrapada en enanas marrones, o en cuerpos pequeños y densos de elementos pesados. Estos objetos se denominan MACHOs (MAssive Compact Halo Objects, u Objetos Compactos y Masivos del Halo Galáctico en español). Pero la opinión mayoritaria es la que sostiene que la materia oscura en absoluto es bariónica, sino que estaría constituida por exóticas partículas como los axiones o WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles, o Partículas Masivas de Interacción Débil en español). Futuros descubrimientos sin duda echarán luz sobre este profundo misterio de la ciencia.

Versión en español: Wilfredo Orozco


1O también “energía del vacío”.

2Los bariones son una familia de partículas subatómicas formadas por tres quarks. Los más representativos, por formar el núcleo del átomo, son el neutrón y el protón; pero también existe otro gran número de bariones, aunque éstos son todos inestables. El nombre de barión se debe a que se creyó, cuando fue descubierto, que poseía una masa mayor que otras partículas. (de Wikipedia.org)