Demasiada oscuridad

El 95% de nuestro universo es doblemente oscuro: no solo no emite o refleja ningún tipo de luz, sino que desconocemos completamente su naturaleza

El cúmulo de Coma.
El cúmulo de Coma.Russ Carroll, Robert Gendler, & Bob Franke; Dan Zowada Memorial Observatory

En 1933, estudiando las velocidades de ocho galaxias en el cúmulo de Coma, una agrupación de galaxias situada a unos 321 millones de años luz de la Tierra, el astrónomo suizo Fritz Zwicky determinó que tenía que existir mucha más materia que la que veíamos, materia oscura. Las galaxias se movían tan rápido que, de no ser así, saldrían despedidas. Aunque medidas similares en otros cúmulos de galaxias confirmaron el resultado de Zwicky, la realidad es que la existencia de materia oscura no se empezó a tomar en serio hasta casi 50 años después.

Durante los años ochenta, el desarrollo de la cosmología dio lugar a lo que se conoce como Modelo Estándar. Este modelo, elegante y simple, hacía uso de la teoría estándar de física de partículas y la teoría de la relatividad de Einstein y era capaz de explicar las abundancias de hidrógeno y helio en el universo y la existencia de una radiación de fondo emitida cuando el universo tenía tan solo 400.000 años de edad. Solo había un pequeño problema, el modelo requería incluir mucha más materia de la que veíamos. En concreto, más del 85% de la materia del universo debía de estar compuesta por un nuevo tipo de partícula exótica, de naturaleza desconocida y diferente de las partículas que vemos.

En este modelo, el universo se estaba expandiendo debido a la energía inicial del Big Bang, pero se pensaba que la expansión debía ser cada vez más lenta por el efecto de la fuerza gravitatoria entre toda la materia del cosmos. Esa fuerza, siempre atractiva, podía llegar a dominar sobre la expansión y frenarla, incluso invertirla. En los años noventa, dos grupos de científicos independientes empezaron a medir esta desaceleración cósmica mediante la observación de supernovas en galaxias lejanas. Sin embargo, en 1998 anunciaron un resultado sorprendente: el universo no se está desacelerando como creíamos, sino lo contrario, se está expandiendo cada vez más rápido. Este anuncio les hizo ganar un billete a Suecia para recoger el premio Nobel de Física en el 2011.

Para poder explicar este resultado con el modelo estándar, había que introducir una nueva componente en el universo que se opusiera a la gravedad a la que bautizaron, haciendo alarde de una gran originalidad, como energía oscura. En el nuevo modelo, la energía oscura hace la mayor contribución a la densidad de materia-energía del universo, nada menos que el 70%, desplazando la supremacía de la materia oscura que pasaría a representar un 26%. Esto deja tan solo un 4 por ciento de materia ordinaria, aquella de la que están hechas las estrellas, los planetas, y nosotros mismos.

Red cósmica.
Red cósmica.illustris-project.org

La naturaleza de la energía oscura es también desconocida. Una hipótesis, la más aceptada hasta la fecha, postula que la energía oscura obedece a una propiedad intrínseca del espacio, la energía de vacío predicha por la mecánica cuántica. En tal caso, la densidad de energía oscura permanecería constante en el tiempo y vendría dada por la cantidad conocida como constante cosmológica. Otros científicos han considerado la posibilidad de que la energía oscura corresponda a algo totalmente distinto: un campo físico apodado quintaesencia nombre que se daba al material invisible que en la antigüedad se pensaba que llenaba todo el espacio vacío del universo. En este caso, las fuerzas fundamentales del universo pasarían de 4 a 5 y la densidad de energía oscura disminuiría con el tiempo.

Desde el comienzo del universo, las dos grandes componentes, energía y materia oscura, están librando una batalla cósmica de proporciones épicas. Una quiere mantener las galaxias juntas mientras la otra trata de impedirlo. Durante la mayor parte de la vida del universo, la materia oscura ha ganado la batalla. Es por ello que las galaxias en el universo se agrupan en grupos de diferente tamaños, conectados entre sí por filamentos y formando lo que se conoce como red cósmica. Sin embargo, a medida que el universo se ha ido expandiendo, la densidad de materia disminuye y, en estos momentos, el balance entre energía oscura y materia está del lado de la primera ¿Desde hace cuánto? Esto depende de cómo varíe la densidad de energía oscura lo cual depende, a su vez, de cuál sea su naturaleza. Si resulta ser una constante cosmológica, su densidad se mantendrá constante, mientras que en el caso de ser una quintaesencia disminuirá, como la densidad de materia, pero más lentamente. La forma de los filamentos y la manera en la que cambian a lo largo del tiempo dependerá de cómo lo haga la energía oscura.

A pesar de los experimentos realizados hasta la fecha, no se ha conseguido encontrar una partícula candidata a materia oscura

A pesar de los experimentos realizados hasta la fecha, no se ha conseguido encontrar una partícula candidata a materia oscura. Por otro lado, se están realizando muchos esfuerzos en todo el mundo para entender qué es y qué importancia ha tenido a lo largo de la vida del Universo esta energía oscura que domina el contenido material-energético del cosmos. En muchos de estos experimentos la participación de instituciones españolas está siendo de mucha relevancia. Uno de esos proyectos se está llevando a cabo en el Observatorio de Javalambre, en Teruel. Desde dicho observatorio se está llevando a cabo un cartografiado del cielo que servirá para medir la estructura a gran escala y su evolución con el tiempo con mucho detalle, lo que debe darnos información sobre la componente oscura del universo, tanto materia como energía. Otro proyecto con gran participación española es EUCLID, de la Agencia Espacial Europea. La recopilación de datos para caracterizar los detalles del modelo estándar no es fácil, ya que los efectos que se buscan son extremadamente pequeños. Sin embargo, por primera vez tenemos la tecnología para llevarlas a cabo.

Por último, podría suceder que ni la materia ni la energía oscura existiesen. Esto nos llevaría a tener que modificar las leyes fundamentales de la física y la teoría de la Relatividad General de Einstein. Cualquiera que sea la solución, lo que está claro es que los físicos estamos viviendo una época excitante y seguro que, en los próximos años, podremos arrojar un poquito de luz a tanta oscuridad.

Patricia Sánchez Blázquez es profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM)

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo.

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