“Como íbamos diciendo…”

En nuestro artículo de presentación de esta serie ya hacíamos una breve introducción acerca de la Energía Oscura, viendo cómo en las primeras décadas del siglo XX pasamos de la imagen preconcebida de nuestro Universo como un sistema estático y quizá infinito a la confirmación –tanto teórica como experimental- de que realmente habitamos en un Universo dinámico y en expansión, en el que las galaxias se alejan unas de otras.

Este descubrimiento supuso abrir a lo largo de las décadas siguientes varias líneas de estudio relacionadas con el mismo:

¿Cuál fue el origen de dicha expansión? ¿Qué hizo que se formasen las estrellas y galaxias?

Y si la gravedad atrae todos los cuerpos entre sí, pero a pesar de ello las galaxias se están separando, ¿por qué lo hacen? ¿por el efecto remanente de aquella expansión inicial? Y, de ser así, ¿cuál es el ritmo actual de esa expansión?

A las dos primeras preguntas daremos respuesta en futuros artículos de esta serie dedicados al Big Bang, la Inflación y la Materia Oscura, respectivamente, pero hoy nos centraremos en intentar dar respuesta a las últimas preguntas.

El descubrimiento: De unas “candelas estándar” a un premio Nobel.

A finales de los años 90 del siglo XX dos equipos de investigación, liderados por Adam Riess y por Saul Perlmutter, se hallaban enfrascados de forma independiente en el análisis espectral de un tipo peculiar de estrellas, las supernovas de tipo Ia, en busca de datos que permitiesen evaluar cuál era el ritmo actual de expansión del Universo.

G299 Remanente de una supernova de tipo Ia
Author: NASA/CXC/U.Texas

Las supernovas de tipo Ia son “candelas estándar”, ya que sus características en el momento en que se produce su explosión hacen que su luminosidad sea igual independientemente de dónde se encuentren, lo que nos permite determinar su distancia relativa. Si partiendo de esa característica analizamos el desplazamiento al rojo (redshift) de su espectro luminoso causado por el efecto doppler, sabríamos a qué ritmo se están alejando de nosotros.

Complejo, ¿verdad? Intentemos verlo de forma sencilla…

Si tenemos dos coches exactamente iguales, cada uno a una distancia diferente y alejándose ambos de nosotros mientras tocan el claxon, escucharíamos el famoso efecto doppler en el sonido (cómo se va volviendo más grave). Si los dos se alejan a la misma velocidad escucharíamos cómo ambos sonidos se van haciendo más graves al mismo ritmo aunque cada uno con una intensidad distinta, debida a la distancia.

Volviendo a nuestros investigadores, ambos equipos descubrieron con asombro en sus resultados que las galaxias NO se estaban alejando a un mismo ritmo constante o desacelerándose, sino que lo estaban haciendo a un ritmo acelerado ¿Cómo podía ser eso? ¡La gravedad debida a la materia debería estar frenando la expansión, no acelerándola, y además debería hacerlo al mismo ritmo para todas ellas!

Como buenos científicos asumieron que debía haber algún tipo de error en sus medidas o cálculos, y sólo cuando supieron del trabajo del otro equipo se decidieron a publicar sus resultados en 1998, unos resultados que les supuso ganar conjuntamente el premio Nobel de Física a Riess, Perlmutter y Schmidt en 2011.

Estaba claro que había “algo”, un tipo de energía que se denominó (quizá con poco acierto) “Energía Oscura”, que se opone a la gravedad, supone el 70% del contenido del Universo, y además hace que el universo se expanda de forma acelerada.

Composición del Universo. <fuente:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Cosmological_composition.jpg>

Pero, ¿qué es esa “Energía Oscura” y cómo funciona? ¿Podemos estar seguros de que existe?

Postulado y falsabilidad de la Energía Oscura

Si tuviésemos que definir la Energía Oscura de manera muy breve en una sola frase, podríamos decir que es “una energía presente en el vacío que hace que el propio espacio se expanda”. O, dicho en otros términos, “la Energía Oscura es la responsable de la autopoiesis del Espacio a partir del Vacío”.

Como vemos, es una definición que comienza con un postulado totalmente contrario a la intuición: ¿una “energía del vacío”? Pero… ¿no es el vacío la ausencia de todo? Pues no, el vacío absoluto no existe, y esto es algo que no solo está establecido teóricamente, sino que está demostrado empíricamente (por ejemplo, en el denominado Efecto Casimir).

En palabras sencillas, aunque no existiese ni una sola partícula de materia en un espacio dado, ese espacio nunca está realmente “vacío”: la mecánica cuántica establece que ese espacio siempre contiene energía, incluso en ausencia de cualquier tipo de materia.

¿Y podemos estar seguros de su existencia? Ya indicamos que en 1998 se publicaron los descubrimientos de Riess y Perlmutter y, desde entonces, se han intentado “falsar” dichos resultados, con resultados positivos a favor del postulado de la Energía Oscura (a pesar de alguna discrepancia, como veremos a continuación).

El principio de “falsabilidad” es algo innato a la Ciencia. Siempre que se establece una hipótesis, se abre un debate profundo en busca de resultados –empleando técnicas distintas– que permitan confirmar o desmentir dicha hipótesis inicial.

Y lo cierto es que desde 1998 se han realizado diversos estudios, entre ellos los dedicados a las oscilaciones acústicas bariónicas y al fondo cósmico de microondas, que han permitido ratificar la existencia de ese “algo” que es la Energía Oscura, aunque todavía no se haya determinado con claridad cuál es su naturaleza.

Sin embargo, en Octubre de 2016 se publicó un artículo en la prestigiosa revista Nature que fue rápidamente propagado por los medios de comunicación como una “confirmación” de la NO existencia de la Energía Oscura. ¿Había habido algún tipo de nuevo descubrimiento que cuestionase todos los estudios anteriores? ¿Se había logrado refutar su existencia?

La respuesta es negativa. El estudio del doctorando J.T.Nielsen tan solo cuestionaba la precisión de los resultados iniciales obtenidos a finales de los 90. Según su análisis, dichos resultados NO aportaban una exactitud de “cinco sigma” (99,9999%) sino “solamente” de “tres sigma” (99.7%), una incertidumbre que aunque no parece significativa, no justificaría la asignación de un premio Nobel.

“The Nobel Prize in Physics 2011”. Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 6 Nov 2016. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/>

Aunque a fecha actual (un mes tras la publicación) todavía se está debatiendo al respecto, el hecho de que la incertidumbre de los análisis iniciales no fuese tan alta como se creía no cambia nada. Como ya decíamos ha habido otras confirmaciones empleando otros mecanismos, que permiten confirmar que la Energía Oscura existe, aunque no sepamos con certeza (¡aún!) si es la constante cosmológica de Einstein, un campo llamado “quintaesencia”, o bien otro postulado más exótico.

¿Y cuál será el destino final del Universo, si este se expande aceleradamente?

El hecho de que exista una “Energía Oscura” que expande el propio espacio tiene una serie de implicaciones bastante interesantes. Por un lado nos hace preguntarnos acerca del concepto de “distancia”. ¿Están las estrellas y galaxias lejanas realmente a la distancia que nos indican las medidas de la radiación que nos llega desde ellas? La respuesta es nuevamente negativa.

Si medimos la radiación que nos llega desde una lejana galaxia sabemos que se encuentra a “X años luz”, ya que cualquier radiación viaja en el vacío a una velocidad constante e insuperable, los famosos “300.000 km/seg”. Pero si el espacio entre nosotros y ese cuerpo está en expansión debido al efecto de la Energía Oscura, realmente esa galaxia está ya más lejos de lo que nos indica la radiación que nos llega desde ella. Nuestro Universo es más grande que lo que indican las medidas.

Y, lo que es más importante, si el espacio de nuestro Universo se expande cada vez más aceleradamente ¿se verá desgarrada toda la materia del universo en un “Big Rip” (“Gran Desgarro”) resultante de esa expansión? ¿O bien se disiparán en algún momento sus efectos, o su densidad se verá afectada por factores que aún desconocemos?

Recreación artística del “Big Rip”
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Big_rip.gif

Hay diversas teorías al respecto, todas ellas pendientes del establecimiento final de la naturaleza de la Energía Oscura. Si ésta fuese variable, esto explicaría por qué sus efectos comenzaron a notarse en el universo no desde su inicio, sino desde hace unos miles de millones de años, y abrirían la puerta a que en algún momento futuro volviese a cambiar y decaer como resultado de otro tipo de efecto que aún desconocemos.

Pero si la Energía Oscura es constante (como establecería la “Constante Cosmológica” de Einstein) o creciente (lo que se conoce como “Energía Fantasma“), el espacio de nuestro Universo podría continuar expandiéndose hasta desgarrarse en ese gran “Big Rip”, lo que sería el final del mismo.

Destinos posibles del Universo
From Wikimedia Commons

O… quizá no. Hay también teorías, como la Cosmología Cíclica Conforme de Roger Penrose (de la cual hablaremos en nuestra entrega futura dedicada a la Inflación Cosmológica) que podría suponer el renacimiento de un nuevo “Big Bang” a partir de ese “Big Rip”.

¿Cuál de esas teorías será la correcta? No lo sabemos aún. En este caso, y nunca mejor dicho, “El tiempo (y el espacio) nos lo dirá”. Por ahora, seguiremos maravillándonos con la naturaleza del Cosmos y nuestro creciente conocimiento sobre él, un camino que no ha hecho más que empezar, y en el que invitamos a nuestros seguidores a seguir acompañándonos en nuestra próxima entrega, dedicada a otro esquivo miembro de nuestro Universo: la “Materia Oscura”.