Energía Oscura

domingo, 29 de agosto de 2010
Composición estimada del Universo

¿Qué es?

Es una forma hipotética de materia que esta presente en el Universo, produciendo una presión negativa que tiende a incrementar la aceleración de la expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitatoria repulsiva. Asumir su existencia es la manera más frecuente de explicar las observaciones recientes de que el Universo parece estar expandiéndose con aceleración positiva. En el modelo estándar, la energía oscura aporta aproximadamente el 75% de la masa-energía total del Universo.

Dos posibles formas de la energía oscura son:
  1. La constante cosmológica, una densidad de energía constante que llena el espacio en forma homogénea, efecto gravitatorio que Einstein introdujo en su teoría de la relatividad general y que posteriormente descarto.
  2. Campos escalares como la quintaesencia, que son campos dinámicos cuya densidad de energía puede cariar en el tiempo y el espacio.
De hecho, las contribuciones de los campos escalares que son constantes en el espacio normalmente también se incluyen en la constante cosmológica. Se estima que esta constante se origina en la energía del vacío. Los campos escalares que cambian con el espacio son difíciles de distinguir de una constante debido a que los cambios pueden ser extremadamente lentos.

Para distinguir entre ambas se necesitan mediciones muy precisas de la expansión del Universo, para determinar si la velocidad de expansión cambia con el tiempo. La tasa de expansión está parametrizada por la ecuación de estado. La medición de la ecuación estado de la energía oscura es uno los retos actuales de la cosmología física.

Misterio a resolver

La expansión del Universo, a partir del Big Bang se acelera, en lugar de ralentizar, como cabría esperar. De este modo, las galaxias se están separando unas de otras cada vez a mayor velocidad. Los primeros indicios de este fenómeno fueron observados hace aproximadamente diez años.

Aún no hay una explicación concreta (Pero si varías teorías) sobre la causa de este extraño fenómeno, per se le refiere como energía oscura. Es posible que se trate de la llamada constante cosmológica, pero esta teoría puede no ser completamente exacta.

Naturaleza

Aún se desconoce la naturaleza exacta, todo está en el terreno especulativo. Se sabe que es homogénea, no muy densa y no se conoce interacción alguna con las las fuerzas fundamentales, excepto con la gravedad. Dada su baja densidad (10E-29 g/cm3) es difícil de realizar experimentos para su detección en el laboratorio. 

Línea de Tiempo del Universo
Crédito: Shahen Hacyan

La Constante Cosmológica

Dado que la energía y la masa están relacionadas por la ecuación E = mc2, la teoría de la relatividad general predice que tendrá un efecto gravitatorio. En algunos textos aparece como energía del vacío, puesto que su densidad de energía es la misma que la del vació. De hecho, muchas teorías de la física de partículas predicen fluctuaciones del vació que le proporcionarían (Al vacío) exactamente este tipo de energía.

Tiene una presión negativa igual a su densidad de energía y así causa que la expansión del Universo se acelere. La razón por la que la constante cosmológica tiene una presión negativa se puede obtener a partir de la termodinámica clásica. Pero, varias teorías cuánticas de campo predicen una gran constante cosmológica a partir de la energía del vacío cuántico, superior a 120 órdenes de magnitud. El consenso científico actual cuenta con la extrapolación de pruebas empíricas donde son relevantes las predicciones y el ajuste fino de las teorías hasta que se encuentre una solución más elegante, esto se suma a las teorías de comprobación contra observaciones macroscópicas, sin embargo, dado que el margen de error conocido en la constante predice el destino final del Universo más que su estado actual, aún quedan pendientes 'preguntas más profundas'.

Otra situación que aparece con la inclusión de la constante cosmológica, es la aparición de soluciones con regiones de discontinuidades con una baja densidad de materia. La discontinuidad también afecta a la energía de vació, cambiando la actual presión negativa a presión atractiva, de la misma manera que se mira hacia atrás, hacia el Universo primigenio. Este hallazgo debería ser considerado como una deficiencia del modelo estándar, pero solo cuando se incluye un término de vacío.

Quintaesencia

Difiere de la constante cosmológica en que puede variar en el espacio y en el tiempo. Para que no se agrupen y se formen estructuras como materia, tiene que ser muy ligero de tal manera que tenga una gran longitud de onda Compton. Aún no se ha encontrado ninguna prueba de su existencia, pero aún no se descarta. En general, predice una aceleración ligeramente más lenta de la expansión del Universo, comparada con la constante cosmológica. Hay quienes piensan que la evidencia de su existencia vendría a partir de violaciones del principio de equivalencia y la variación de las constantes fundamentales de Einstein en el espacio tiempo. Los campos escalares son predichos por el modelo estándar y la teoría de cuerdas, pero un problema análogo al problema de la constante comológica ocurre: la teoría de la renormalización predice que los campos escalares deberían adquirir grandes masas.

¿El destino del Universo?

La consecuencia más directa de la existencia de la energía oscura y la aceleración del Universo es que éste es más antiguo de lo calculado con la constante de Hubble (71 km/s/Mp), 10 mil millones de años, es decir, menor que la edad de las estrellas más antiguas observadas en los cúmulos globulares, lo cual nos muestra una paradoja. Se estima que la aceleración comenzó hace nueve mil millones de años. Teniendo en cuenta la energía, la edad del Universo puede estimarse en (Al menos) 13,700 millones de años, dato con el cual se resuelve la paradoja ya mencionada.

Si la aceleración continúa de manera indefinida, las galaxias exteriores al supercúmulo de Virgo se moverán más allá del horizonte de sucesos, es decir, no serán visibles debido a que su velocidad radial será mayor que la velocidad de la luz. Es importante aclarar que esta no es una violación de la relatividad especial y esto no puede utilizarse para enviar una señal entre ellos. No hay manera alguna de definir la 'velocidad relativa' en un espacio-tiempo curvado. La velocidad relativa y la velocidad sólo pueden ser definidas con significado pleno en un espacio-tiempo plano o en regiones infinitesimales de espacio-tiempo curvado. A su vez, previene cualquier comunicación entre ellos y el objeto pase sin contactar. La Vía Láctea y el supercúmulo de Virgo permanecerían (Virtualmente) sin perturbaciones mientras el resto del Universo retrocede. En este escenario, el supercúmulo local sufriría la muerte caliente, justo como se pensaba para un Universo plano y dominado por la materia, antes de las medidas de la aceleración cósmica.

El futuro del Universo depende de la naturaleza exacta de la energía oscura. Si ésta es una constante cosmológica, el futuro del Universo será parecido al de un Universo plano (Big Crunch), pero considerando, los modelos de la quintaesencia, denominados 'energía fantasma', la densidad de la energía oscura aumenta con el tiempo, provocando una aceleración exponencial, y en otros modelos, un tanto extremos, la aceleración sería tan rápida que superaría las fuerzas de atracción nucleares y destruiría el Universo en unos 20 mil millones de años, en el llamado Big Rip.

¿Es siempre constante?

Con el fin de observar si la fuerza de la energía oscura cambia con el tiempo, los astrónomos planean trazar cuidadosamente la posición de las nubes de hidrógeno neutro, formadas poco después del Big Bang. Aunque no es posible por el momento, los futuros observatorios serán capaces de rastrear este material de regreso a una era donde el Universo solo tenía 200 millones de años.

En esa época, pequeñas fluctuaciones en la densidad de la energía y  la presión, causaban oscilaciones. Aunque pequeñas en el inicio, estas 'ondas' se han magnificado por la expansión del Universo, y su despliegue es de 500 millones de años-luz en la actualidad. Las nubes de hidrógeno neutro debería seguir este patrón, por lo que las astrónomos saben que están buscando allí, en las nubes primigenias y no en las más cercanas.

Así, los astrónomos serán capaces de observar hacia atrás en el tiempo y estudiar la distancia de las nubes en cada época de la expansión de nuestro Universo, también podrán rastrear la cantidad de energía oscura que estaba afectando al espacio en cada momento y tener una idea si esta energía siempre se ha mantenido constante o si ha cambiado,

Construcción de un mapa de la energía oscura

El entender la materia oscura es uno de los mayores misterios de la actualidad, tener la respuesta es casi asegurar un Premio Nobel de Física, pero se ha visto que no es nada fácil. Dado que no se puede medir directamente, sus efectos son estudiados sobre la escala de las grandes estructuras del Universo. En el 2008, utilizando el VLT (Very Large Telescope) del ESO (European Southern Observatory, en La Silla, Chile) observaron más de 13,000 galaxias. Esta investigación cubrió un 'terreno' de 25 millones cúbicos de años-luz de volumen.

Con este estudio, se tuvo la capacidad de trazar las estructuras a gran escala en el Universo cercano, incluidos los cúmulos de galaxias y los supercúmulos filamentosos. Con la medición de la velocidad de los diferentes grupos que se han alejado de nosotros en diferentes momentos en el pasado, los astrónomos fueron capaces de medir la distorsión de velocidad aportado por la energía oscura.

Regiones interiores del cúmulo Abell 1689
Crédito: Hubble

Cada vez más cerca su entendimiento

El pasado 19 de agosto, a partir de las imágenes que el Telescopio Espacial Hubble obtuvo de las galaxias situadas detrás del cúmulo Abell 1689, los astrónomos fueron capaces de detectar un débil y distante fondo de galaxias cuya luz estaba siendo 'doblada' y proyectada por la enorme atracción gravitatoria del cúmulo, de la misma manera que la lente de una lupa distorsiona la imagen de un objeto. Con este método, fueron capaces de reducir el error en su ecuación de parámetros de estado en un 30%, pues combinaron otros métodos incluyendo el uso de supernovas, cúmulos de galaxias distantes de rayos-X y los datos del WMAP.

Pero no solo esta vez el Hubble a ayudado con este tópico, unos meses antes, en marzo de 2010, un grupo de astrónomos, liderado por Tim Schrabback, como parte del proyecto COSMOS, utilizaron las observaciones para asignar las distancias de una muestra de 194 mil galaxias del total estudiado. Con ello analizaron la distribución a gran escala de la materia en el espacio, esta información está codificada en las formas distorsionadas de las galaxias distantes, un fenómeno llamado "Lente Gravitatoria Débil". Los nuevos algoritmos desarrollados por el equipo de investigación han conseguido vislumbrar con mejor detalle la forma distorsionada de las galaxias lejanas. La muestra seleccionada se cree que es representativa de todo el Universo.

Para Saber Más:

Adam G. Riess Et Al.

Sean M. Carrol

P. J. E. Peebles & Bharat Ratra

Edward W. Kolb Et Al.

Christian Beck & Michael C. Mackey

Shahen Hacyan
Tim Schrabback Et Al.

ESA News Release

WebSite

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