A 25 años de la energía oscura

T.E.L: 5 min.

Ya pasó un cuarto de siglo desde que existe Google, la EEI y el concepto de energía oscura.

En 2024 empezaremos el año 26, desde 1998. Aquel fue un año nerd. Se fundó Google, comenzó la construcción de la Estación Espacial Internacional, y se inventó el término "energía oscura".

La historia de la energía oscura es interesante porque es uno de esos casos en que los astrónomos hallaron algo distinto a lo que esperaban. En pocas palabras: Durante la década de 1920, Edwin Hubble y Humason calcularon la distancia a las galaxias relativamente cercanas, al detectar en ellas variables cefeidas, usadas como "candelas estándar". El sucesor de Hubble, Allan Sandage continuó el trabajo y publicó un famoso paper en el que decía que la cosmología debía establecer dos números: la tasa de expansión del espacio (denominada h0) y la tasa de desaceleración (q0). Esto último implicaba que, a la larga, la expansión debía tener menor velocidad.

Para extender la Ley de Hubble y su conocido diagrama a mayores escalas, era necesario calcular la distancia a galaxias mucho más lejanas. Las cefeidas no serían la herramienta adecuada. Entonces se pensó en usar la supernovas Tipo Ia como recurso. Dos grupos independientes llegaron en 1998 a las mismas conclusiones. Cuando se agregan al diagrama las galaxias más distantes, el resultado no es lineal.

Lo que los astrónomos esperaban es que las galaxias muy distantes fueran más brillantes, en proporción a la tasa de expansión. Si esa frecuencia de expansión era constante, se podía calcular cuál sería el brillo según la distancia. Lo que hallaron ambos grupos es que las galaxias muy distantes son menos brillantes de lo esperado. Una forma de explicar el resultado es que la velocidad de expansión haya aumentado.

LAMBDA Y OMEGA

Cuenta la historia que un par de años después de la publicación de la Teoría General de la Relatividad, le hicieron notar a Einstein que su modelo de universo permitía que el espacio se pudiera contraer o expandir. Lo primero parecía lo más factible por la atracción gravitatoria. Como no había ningún indicio de que eso fuera así -las observaciones de Hubble vendrían unos pocos años después- el físico alemán decidió modificar su teoría e incorporar una variable llamada "Constante cosmológica" indicada con la letra griega lambda (Λ). La definió como una fuerza repulsiva con el objetivo de que equilibrara a la gravedad. Al conocerse el trabajo de Hubble y elaborar la idea de la expansión del espacio, Einstein consideró que la incorporación de lamba a su esquema teórico había sido su mayor error y la quitó.

Hacia 1998, con el hallazgo de los dos proyectos de medición de distancia con supernovas, se recuperó el concepto de una "fuerza repulsiva", la constante cosmológica de Einstein. Por eso, el Modelo Cosmológico Estándar que actualmente tiene vigencia y es debatido por los cosmólogos, se llama Lamba CDM, donde CDM es la sigla en inglés para "Materia Oscura Fría".

Los datos eran convincentes, debía ser algo real: dos grupos independientes, usando diferentes supernovas, llegaron a la misma conclusión. Por otro lado, la idea de una "energía oscura" solucionaba algunos misterios cosmológicos: se habían detectado galaxias que parecían ser más antiguas que el universo. La expansión acelerada era una solución. Al mismo tiempo, se había calculado el valor omega (Ω). Para los astrónomos del momento, la densidad del universo era muy baja. Omega expresa la tasa de densidad crítica o, para decirlo en castellano: cuánta materia es necesaria para que el universo sea plano o curvado.

Desde 1980, los cosmólogos usaban la teoría inflacionaria que implica una expansión acelerada en los primeros instantes que, como consecuencia, había aplanado el universo. Así, el universo debía ser plano, con Ω=1, exactamente lo que hace falta para que la masa total no genere una gravedad que contraiga al universo. Hasta 1998, las observaciones indicaban que la composición del universo no estaba ni cerca de 1, considerando bariones (protones y neutrones) y materia oscura. Con la energía oscura se completaba el esquema y se obtenía un omega muy cerca de 1, que es lo que parecen indicar las observaciones.

ENERGÍA OSCURA: MUY MALA PARA LA ASTRONOMÍA

En 2007, el teórico Simon White publicó un ensayo titulado "Por qué la energía oscura es mala para la astronomía". En pocas palabras, señala un viejo duelo entre astrónomos observaciones y físicos teóricos. En un extracto de su paper, White dice:

Los astrofísicos deben motivar sus actividades en su propio contexto cultural, no en el de la física de altas energías. Esto es especialmente importante cuando se interactúa con estudiantes y jóvenes científicos. Es innegable que la energía oscura es un enigma fascinante, pero es un enigma de la física de altas energías. La creatividad en la comprensión de la energía oscura no vendrá de los sondeos astronómicos previstos. Proporcionarán medidas más precisas de cantidades que ya son suficientemente conocidas para la astrofísica. Aunque alcanzar tal precisión es un reto importante, ofrece pocas oportunidades para la creatividad científica, a menos que uno esté interesado principalmente en el procesamiento de grandes conjuntos de datos o en la estadística del análisis de datos. Los estudiantes brillantes y ambiciosos decidirán convertirse en astrofísicos sólo si ven la oportunidad de hacer contribuciones de gran impacto como individuos. Dentro de los estudios sobre la energía oscura, estas oportunidades vendrán principalmente de los estudios de objetos astronómicos. En la carrera por obtener una ventaja financiera etiquetando los proyectos con la etiqueta de Energía Oscura, es esencial evitar dar la impresión de que la ciencia astronómica es "secundaria", de menor importancia o interés que las mediciones mejoradas de la expansión cósmica y las historias de crecimiento de las estructuras. Traducción realizada con la versión gratuita del traductor DeepL.com

LO QUE ACELERA Y LO QUE NO

La tasa de expansión (h0) depende de la densidad total de energía. Si el universo tuviera solo materia y radiación, al expandirse, aumentaría el volumen, pero no la energía, por lo que bajaría la densidad y por tanto, la expansión debiera desacelerarse. Sin embargo, con la energía oscura pasa algo diferente: su densidad es constante, aunque el espacio cambie de tamaño. En los orígenes del universo, el componente de energía oscura era pequeño. La materia y radiación dominaban, el espacio se expandía y al bajar la densidad, bajaba la tasa de expansión. Pero el contenido de energía oscura aumentó hasta hacerse dominante. Esto implica que la tasa de expansión ya no podrá bajar a cero, sino que tiende a un valor no nulo. El universo no se va a contraer, sino que seguirá expandiéndose sin cesar. Ahora, la tasa de expansión sigue bajando, pero a menor ritmo. Mientras, las galaxias se alejan cada vez más rápido en el universo distante.

EL ORIGEN DEL TÉRMINO

Se ha adjudicado al astrónomo Michael Turner el acuñar el término "energía oscura" en un paper con Dragan Huterer. Ya estaba muy instalado el concepto de "materia oscura", por lo que resultó similar el uso de la palabra "oscura" como sinónimo de "misteriosa".

EL FUTURO DEL CONCEPTO

Hace 25 años, la revista Science publicó un número con los descubrimientos del año, en 1998. El gran hallazgo, según la revista, fue la energía oscura. La idea forma parte del modelo de universo de la cosmología contemporánea, pero su entendimiento no se ha expandido lo suficiente en estos cinco lustros. No se aceleró el conocimiento sobre la energía oscura. Para algunos, esto supone una "crisis" que merece un cambio de modelo.

Dicen que "Tiempo que pasa, verdad que huye". Lo que implica que hacer cosmología es una tarea casi imposible. A pesar de lo cual, algunas evidencias se pueden recopilar para formar teorías y tratar de demostrarlas. Sin embargo en ciencias, como indican las Leyes de Murphy, los problemas no se crean, ni se destruyen, sólo se transforman.☉

Fuentes y enlaces relacionados

The Most Shocking Discovery in Astrophysics Is 25 Years Old

https://www.scientificamerican.com/article/the-most-shocking-discovery-in-astrophysics-is-25-years-old/

Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant

Adam G. Riess et al

https://arxiv.org/abs/astro-ph/9805201

Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae

S. Perlmutter et al

https://arxiv.org/abs/astro-ph/9812133

Prospects for probing the dark energy via supernova distance measurements

Dragan Huterer, Michael S. Turner (Chicago/Fermilab)

https://arxiv.org/abs/astro-ph/9808133