¿Por qué se está desgarrando el universo?

Brad E Tucker, Australian National University

¿De qué está hecho el universo? Esta pregunta lleva cientos de años preocupando a los astrónomos.

Durante el último cuarto de siglo, los científicos han sostenido que la materia “normal”, como los átomos y moléculas que nos componen a usted, a mí, a la Tierra y a casi todo lo que podemos ver, sólo representa el 5 % del universo.

Otro 25% corresponde a la “materia oscura”, una sustancia desconocida que no podemos ver pero que podemos detectar por cómo afecta a la materia normal a través de la gravedad. Y el 70 % restante del cosmos está formado por “energía oscura”. Descubierta en 1998, se trata de una forma desconocida de energía que se cree que hace que el universo se expanda a un ritmo cada vez mayor.

En un nuevo estudio, que se publicará próximamente en la revista Astronomical Journal, hemos medido las propiedades de la energía oscura con más detalle que nunca. Nuestros resultados muestran que puede tratarse de una hipotética energía del vacío, propuesta por primera vez por Einstein, o incluso podría ser algo más extraño y complicado que cambia con el tiempo.

¿Qué es la energía oscura?

Cuando Einstein desarrolló la Teoría General de la Relatividad hace más de un siglo, pronto se dio cuenta de que sus ecuaciones mostraban que el universo debería estar expandiéndose o encogiéndose. Esto le pareció erróneo, así que añadió una “constante cosmológica” –una especie de energía inherente al espacio vacío– para equilibrar la fuerza de la gravedad y mantener el universo estático.

Más tarde, cuando los trabajos de Henrietta Swan Leavitt y Edwin Hubble demostraron que el universo se estaba expandiendo, Einstein eliminó la constante cosmológica y la calificó de su “mayor error”.

Sin embargo, en 1998, dos equipos de investigadores descubrieron que la expansión del universo se estaba acelerando. Esto implica que, después de todo, podría existir algo muy parecido a la constante cosmológica de Einstein, algo que ahora llamamos energía oscura.

Desde entonces hemos utilizado supernovas y otras sondas para medir la naturaleza de la energía oscura. Hasta el momento, estos resultados han mostrado que la densidad de la energía oscura en el universo parece ser constante.

Esto significa que la fuerza de la energía oscura sigue siendo la misma, incluso conforme el universo crece. En otras palabras, no parece estar más dispersa a medida que el universo se hace más grande. En efecto, la constante cosmológica de Einstein fijaba w en -1, y observaciones anteriores han sugerido que esto era más o menos correcto.

La explosión de estrellas como vara de medir cósmica

¿Cómo podemos medir el universo y su velocidad de crecimiento? No disponemos de enormes cintas métricas ni de balanzas gigantes, así que en su lugar utilizamos “velas estándar”: objetos del espacio cuyo brillo conocemos.

Imagine que es de noche y que está de pie en una larga carretera con unos cuantos postes de la luz. Todos estos postes tienen la misma bombilla, pero los más alejados son más tenues que los cercanos.

Esto se debe a que la luz se desvanece proporcionalmente a la distancia. Si conocemos la potencia de la bombilla, y podemos medir lo brillante que parece ser, podemos calcular la distancia al polo luminoso.

Para los astrónomos, una bombilla cósmica común es un tipo de estrella en explosión llamada supernova de tipo Ia. Se trata de estrellas enanas blancas que suelen absorber materia de una estrella vecina y crecen hasta alcanzar 1,44 veces la masa de nuestro Sol, momento en el que explotan. Midiendo la rapidez con la que se desvanece la explosión, podemos determinar su brillo y, por tanto, a qué distancia de nosotros se encuentra.

Estudio sobre la energía oscura

El Dark Energy Survey es el mayor esfuerzo realizado hasta ahora para medir la energía oscura. Más de 400 científicos de varios continentes llevan trabajando juntos durante casi una década para observar repetidamente partes concretas del cielo austral.

Las observaciones repetidas nos permiten buscar cambios, como la explosión de nuevas estrellas. Cuanto más a menudo se observe, mejor se podrán detectar estos cambios. Y cuanto mayor sea el área de búsqueda, más supernovas podremos encontrar.

Los primeros resultados que indicaban la existencia de energía oscura se basaban sólo en un par de docenas de supernovas. Los últimos resultados del Dark Energy Survey utilizan alrededor de 1 500 estrellas en explosión, lo que proporciona una precisión mucho mayor.

Utilizando una cámara especial instalada en el Telescopio Blanco de 4 metros del Observatorio Interamericano de Cerro-Tololo (Chile), nuestro estudio detectó miles de supernovas de distintos tipos. Para averiguar cuáles eran de Tipo Ia (el tipo que necesitamos para medir distancias), utilizamos el Telescopio Anglo Australiano de 4 metros del Observatorio de Siding Spring, en Nueva Gales del Sur.

El Telescopio Anglo Australiano realizó mediciones que descompusieron los colores de la luz de las supernovas. Esto nos permite ver una “huella dactilar” de los elementos individuales de la explosión.

Las supernovas de tipo Ia presentan algunas características únicas, como la ausencia de hidrógeno y silicio. Y con suficientes supernovas, el aprendizaje automático nos permitió clasificar miles de ellas de manera eficiente.

Más complicado que la constante cosmológica

Por último, tras más de una década de trabajo y el estudio de unas 1 500 supernovas de tipo Ia, el Dark Energy Survey ha producido una nueva mejor medición de w. Encontramos w = -0,80 ± 0,18, por lo que está entre -0,62 y -0,98.

Se trata de un resultado muy interesante. Se sitúa cerca de -1, pero no justamente ahí. Para ser la constante cosmológica, o la energía del espacio vacío, tendría que ser exactamente igual a -1.

¿Dónde nos deja esto? Con la idea de que puede ser necesario un modelo más complejo de energía oscura, tal vez uno en el que esta misteriosa energía haya cambiado a lo largo de la vida del universo.

Brad E Tucker, Astrophysicist/Cosmologist, Australian National University

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.