Energía Oscura

La energía oscura y el enigma del fin del universo

Por: Mou D. Khamlichi
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¿Has escuchado o leído algo acerca del Big Bang y la expansión del universo? ¿Alguna vez has imaginado que el universo se expanda hasta su desintegración? ¿Qué sabes de la energía oscura? ¿No mucho? Bueno, la verdad es que ni siquiera los físicos han logrado desentrañar del todo su naturaleza.

Lo que sí se sabe de este tipo de energía es que constituye, ni más ni menos, 68 % de la energía total en el universo. No debe ser confundida con la materia oscura, aunque guardan relación. La naturaleza de ambos fenómenos es aún un enigma; en este tema, físicos y cosmólogos andan a oscuras.

También se sabe que ambas formas de energía son antagónicas y mantienen un “pulso” permanente desde el Big Bang. Pulso que no ha permitido ni la implosión ni la explosión del universo. Es decir, lo han mantenido estable. Del equilibrio entre estos dos tipos de energía depende que el universo no termine desintegrándose.

Escudriñar al cielo en busca del origen

Determinar con exactitud y de forma definitiva cómo empezó la formación del universo desvela a físicos, astrofísicos y astrónomos. Desde el primer hombre que miró al cielo buscando explicaciones, hasta el que ya llegó al espacio y busca respuestas en la ciencia. De la intervención divina a la energía oscura.

Las primeras cosmogonías (del griego kosmogenía, “nacimiento del mundo”) procuran explicar el origen del universo mediante el mito. A las interrogantes sobre un mundo apenas conocido se responde a través de un universo paralelo, el de los dioses y sus fuerzas creadoras/destructoras.

Luego la astronomía delimitará su campo de estudio al de la observación de los astros para entender su formación, su dinámica y su evolución. Se puede rastrear el origen de las primeras anotaciones astronómicas sumerias el S. IV a.C.

Los astrónomos griegos y los caldeos avanzarán en el estudio de los cuerpos celestes errantes (de los planetes asteres de los gregos del S. V). Y, tras siglos de estudios matemáticos y geométricos de las órbitas y ciclos planetarios, serán elaborados los primeros modelos complejos de explicación del universo.

Modelos geocéntrico y heliocéntrico

En el siglo II a.C., el astrónomo griego Claudio Ptolomeo propuso su sistema de descripción del universo. Según este modelo geocéntrico, los planetas girarían en torno a la Tierra, considerada entonces el centro del universo. La noción de la Tierra como centro ya había sido expuesta por Aristóteles en el S. IV a.C.

Este modelo, que pone incluso al sol a orbitar la Tierra, mantuvo su vigencia hasta finales de la Edad Media. Ello a pesar de que ya en el siglo IV, Aristarco de Samos había rebatido a Aristóteles su visión geocéntrica. Aristarco había deducido de sus cálculos que era la Tierra la que giraba alrededor del Sol.

Basado en cálculos matemáticos más precisos, Nicolás Copérnico reformuló la teoría de Aristarco. En su obra Sobre las revoluciones de las órbitas celestes (XX), Copérnico expuso los fundamentos del modelo heliocéntrico. El Sol desplaza a la Tierra como centro del universo. Algunos de los postulados de Copérnico fueron:

  • Los cuerpos celestes se mueven en forma circular y perpetua.
  • La Tierra rota cada 24 horas, determinando la duración del día.
  • El movimiento de traslación alrededor del Sol dura un año.
  • El movimiento de la Luna alrededor de la Tierra tiene periodicidad mensual.
  • Reordenó a los planetas según su distancia del Sol.

Irrumpe la gravedad y lo cambia todo

La teoría heliocéntrica se topó con la resistencia de la religión, porque desplazaba a la Tierra como centro del universo. Y de algunos astrónomos, porque rompió con el paradigma de una Tierra estática. Pero, al mismo tiempo, facilitó un cálculo más preciso de las posiciones planetarias.

Desde su observatorio Uraniborg, el astrónomo danés Tycho Brahe (1546-1601) realizó cálculos de alta precisión sobre la posición de estrellas y planetas. Su discípulo alemán, Johannes Kepler, tomó esos cálculos y, entre 1601 y 1609, postuló sus 3 leyes acerca del movimiento de los planetas.

Hasta ese momento, los modelos propuestos estaban fundamentados en la observación empírica de los astros y en los cálculos matemáticos. Será Isaac Newton quien sistematice estas observaciones y cálculos y los unifique en su obra Los principios (1687).

Preguntarse acerca de la fuerza que hacía caer los objetos al suelo condujo a Newton a plantear el concepto de la gravedad. Este concepto será fundamental para la comprensión del universo y sus leyes.

¿Por qué fue tan importante el descubrimiento de la gravedad para la comprensión del universo?

Newton observó que los objetos caían a la Tierra con aceleración constante dependiente de sus masas y de la distancia entre ellos. Y concluyó que se trataba de la misma fuerza de atracción que mantenía en movimiento a los cuerpos celestes.

Su Ley de Gravitación Universal afirmaba que:

  • La gravedad es una fuerza de atracción: por eso los planetas describen órbitas cerradas.
  • No importa cuán alejados estén dos cuerpos: siempre habrá atracción gravitacional entre ellos.
  • La distancia entre los cuerpos es inversamente proporcional a la fuerza de atracción entre ellos.
  • La fuerza de atracción gravitacional es directamente proporcional a la masa de los objetos en interacción.

Es fácil deducir la importancia que tuvieron estos postulados para explicar el movimiento de los cuerpos en el Sistema Solar. Para Newton, estas leyes eran universales e infinitas. Los astros se mantenían inmutables, en equilibrio gravitatorio. Ello pareció razonable hasta que Einstein lo desmintió en el siglo XX.

Ley de la Relatividad general: la gravedad es sustituida por la curva espacio-tiempo

Los revolucionarios postulados de Newton serán revisados cuidadosamente por Albert Einstein. La fuerza a la que Newton atribuía el movimiento de los cuerpos en el espacio fue sustituida por el concepto de curvatura espacio-tiempo.

Para Einstein, las 3 dimensiones espaciales están unidas al tiempo en un solo tejido. En este tejido, los cuerpos más pesados, como el Sol, curvan el espacio y los demás cuerpos “caen” en esa “deformación”.

Tratando de compaginar su idea de un universo estático con la realidad de un universo en expansión, Einstein formula su constante cosmológica. Sin embargo, investigaciones posteriores determinan que el universo se mantiene en equilibrio, pero no es estático.

Lo interesante es que Einstein reconoce su error y considera entonces la presencia de fuerzas antigravitatorias que mantienen el equilibrio. Sin proponérselo, introdujo la noción de materia oscura, como materia que atrae y aglutina. Y de energía oscura, que actúa en sentido opuesto, causando la expansión del universo.

Del Big Bang al Big Crunch y al Big Rip

Se aceptó entonces que el equilibrio del universo se debía a la acción de dos fuerzas de signo opuesto. Pero, a finales del siglo XX, se descubre que la expansión es mayor que la contracción debida a la atracción gravitacional.

Para 1949, el físico George Gamow propone que el universo se expande sin cesar por causa de la energía que causó su creación. Es decir, por la fuerza de una gran explosión, a la cual se le dio, en 1965, el nombre de Big Bang.

A este modelo siguieron otros que intentan descifrar el fenómeno de la expansión del universo. Según el Modelo del Universo Oscilante, formulado por Richard Tolman en 1934, a la expansión sucedería una gran contracción (Big Crunch) que culminaría en otro Big-Bang.

Pero, también, si se considera una expansión creciente, se podría llegar a lo que han llamado Big Rip (“Gran desgarro”). Es decir, que la expansión no se detenga y termine en una desintegración del universo. Todas las posibilidades dependen de la naturaleza de dos tipos de energía/masa: la energía y la materia oscuras.

La energía oscura: el enigma detrás de la expansión acelerada del universo

Aceptado el Big-Bang y su onda expansiva, los científicos se enfrentaron a otro problema: la atracción gravitacional no contrarresta la expansión creciente del universo. El descubrimiento de la aceleración de la expansión dio un Nobel de Física a Schmidt, Perlmutter y Riess en el 2011.

A esa energía que se oponía a la gravedad se le dio el nombre de energía oscura. A la misma se le atribuye la aceleración de la expansión del universo en los últimos 4 mil millones de años. Representa 70 % de toda la energía del universo, sin embargo, su naturaleza es aún indescifrable.

De observaciones de elementos producto del Big Bang se determinó que la densidad total de la materia del universo era de 30%. Esto incluye la llamada materia bariónica (la que vemos) y la materia oscura (que no vemos, porque no emite luz). El resto de la densidad corresponde a la energía oscura.

El enigma detrás de la formación, expansión y contracción del universo es la dinámica entre la energía oscura y la materia oscura.

¿Qué se sabe acerca de la energía oscura?

Una concepción incipiente de la naturaleza de la energía oscura fue la de la Constante Cosmológica de Einstein. Tal constante pretendía mantener la idea de un universo en equilibrio estático. Y ese equilibrio solo sería posible si a la fuerza gravitacional se opusiera una de signo opuesto.

Así que si algo se sabe de la energía oscura es que actúa al contrario de la gravedad, o como fuerza antigravitatoria. Se le define desde este aspecto como una “energía en el vacío” que contrarresta el campo gravitatorio. En este caso, “vacío” no es ausencia de materia, sino existencia de materia de baja densidad.

Es muy poco más lo que se sabe acerca de este tipo particular de energía, a pesar de constituir la mayor parte de la energía del universo. Y a pesar del papel que cumpliría en un hipotético fin del universo.

Un instrumento para desentrañar el misterio de la energía oscura

Un tipo de energía que no puede ser observada ni medida directamente requiere de una aproximación diferente. En este caso, para tratar de entender qué es la energía oscura se ha recurrido a reconstruir la historia de la formación del universo.

Para una investigación de tal magnitud se utiliza un instrumento igualmente monumental: el DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). Este instrumento permite la observación simultánea de 5 000 galaxias, gracias a sus 5 000 fibras ópticas controladas por un brazo robótico.

La tecnología de este potente telescopio está diseñada para la observación, registro e inventario de galaxias. Inició su actividad en el 2020 y se prevé una labor de observación de 5 años. Se pretende elaborar un gran mapa galáctico que permita calcular la velocidad a la cual están alejándose de la Tierra.

Al determinar la posición de las galaxias observadas y la velocidad de su alejamiento se podrá conocer dónde está y cómo actúa la energía oscura. Sería un primer paso en la comprensión de su naturaleza.

Referencias:

https://sites.google.com/site/lasfuerzasdeluniversoblog/historia-de-la-astronomia-y-su-evolucion/diferencias-entre-los-modelos-geocentrico-y-heliocentrico

https://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad#:~:text=Isaac%20Newton%20fue%20el%20primero,los%20planetas%20y%20las%20estrellas.

https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_oscura

www.nationalgeographic.es/espacio/el-origen-del-universo

www.bbc.com/mundo/noticias-50391187


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