¿Realmente existe la energía oscura? - ¿O la tierra ocupa un lugar muy poco usual en el universo?

SCIAM / Ciencia Kanija
26/03/09

En la ciencia, las mayores revoluciones a menudo vienen disparadas por las discrepancias más pequeñas. En el siglo XVI, basándose en lo que daba la impresión a sus contemporáneos de ser esotéricas minucias en los movimientos celestes, Copérnico sugirió que la Tierra no era, de hecho, el centro del universo. En nuestra propia era, otra revolución comenzó hace 11 años con el descubrimiento de que el universo se aceleraba. Una minúscula desviación en el brillo de las estrellas en explosión llevó a los astrónomos a concluir que no tenían idea de en qué consistía el 70 por ciento del cosmos. Todo lo que podían decir es que el espacio estaba repleto de una sustancia distinta a las demás que empujaba la expansión del universo en lugar de volver a reunirlo. Esta sustancia se conoció como energía oscura.

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Ahora, una década más tarde, la energía oscura sigue siendo tan misteriosa que algunos cosmólogos están revisitando los postulados fundamentales que les llevaron a deducir su existencia en un primer momento. Uno de estos es el producto de una revolución anterior: el Principio Copernicano de que la Tierra no es central ni tiene ninguna otra posición especial en el universo. Si descartamos este principio básico, surge una descripción asombrosamente diferente de lo que podemos tener en cuenta sobre las observaciones.

Para la mayor parte de nosotros es familiar la idea de que nuestro planeta no es más que una mota de polvo orbitando una estrella común, en algún punto cerca del borde de una galaxia corriente. Estamos en mitad de un universo poblado por miles de millones de galaxias que se extienden hasta nuestro horizonte cósmico, y esto nos ha llevado a creer que no hay nada especial ni único en nuestra posición. ¿Pero cuáles son las pruebas para esta humildad cósmica? ¿Y cómo seríamos capaces de decir si estamos en un lugar especial? Los astrónomos normalmente pasan por alto estas preguntas suponiendo que el hecho de que seamos tan corrientes, es suficientemente obvio para garantizar no entrar en mayores discusiones. Tratar la idea de que puede, de hecho, tengamos una posición especial en el universo es, para muchos, impensable. No obstante, esto es exactamente lo que un pequeño grupo de astrofísicos de todo el mundo ha estado considerando recientemente.

Irónicamente, suponer que nosotros somos insignificantes ha otorgado a los cosmólogos un gran poder de explicación. Esto nos ha permitido extrapolar lo que vemos en nuestra vecindad cósmica a todo el universo. Se han llevado a cabo grandes esfuerzos para construir nuevos y vanguardistas modelos del universo basados en el principio cosmológico de generación del Principio Copernicano que afirma que en cualquier momento dado del tiempo todos los puntos y direcciones del espacio parecen el mismo. Combinado con nuestra visión moderna del espacio, el tiempo y la materia, el principio cosmológico implica que el espacio se expande, que el universo se enfría y que está poblado por reliquias de sus calientes predecesores, todas estas predicciones corroboradas por observaciones.

Los astrónomos encontraron, por ejemplo, que la luz de las galaxias lejanas es más roja que las de las galaxias cercanas. Este fenómeno, conocido como desplazamiento al rojo, está claramente explicado como un alargamiento de las ondas de luz debido a la expansión del espacio. Además, los detectores de microondas revelan un telón casi perfectamente luso de radiación emanando de tiempos muy remotos: el fondo de microondas cósmico, una reliquia de la bola de fuego primordial. Huelga decir que estos éxitos son en parte resultado de nuestra propia humildad, cuando menor es nuestra propia relevancia, más podemos decir sobre el universo.

La oscuridad se cierne

Entonces, ¿por qué cambiarlo todo? Si el principio cosmológico tiene tanto éxito, ¿por qué deberíamos cuestionarlo? El problema es que recientes observaciones astronómicas han estado generando resultados muy extraños. A lo largo de la última década los astrónomos han encontrado que para un desplazamiento al rojo dado, las lejanas explosiones de supernovas parecen más tenues de lo esperado. El desplazamiento al rojo mide la cantidad de espacio que se ha expandido. Midiendo cuánta luz de las lejanas supernovas se ha desplazado al rojo, los cosmólogos pueden inferir cuánto más pequeño era el universo en la época de las explosiones comparado con el tamaño actual del universo. Cuanto mayor es el desplazamiento al rojo, mejor era el universo cuando estalló la supernova y por tanto más se ha expandido el universo entre ese momento y el actual.

El brillo observado de una supernova proporciona una medida de su distancia a nosotros, lo cual a su vez revela cuánto tiempo ha pasado desde que tuvo lugar el estallido. Si una supernova con un desplazamiento al rojo dado se atenúa más de lo esperado, entonces tal supernova debe estar más lejos de lo que los astrónomos había pensado. Su luz ha necesitado más tiempo para llegar hasta nosotros, y de aquí que el universo deba haber tenido más tiempo para crecer hasta su punto actual. Consecuentemente, el índice de expansión debe haber sido más lento en el pasado de lo que es en la actualidad. De hecho, las lejanas supernovas son lo bastante tenues como para que la expansión del universo deba haberse acelerado de forma que encajen con el actual índice de expansión.

Esta expansión acelerada es la gran sorpresa que disparó la revolución actual en la cosmología. La materia del universo debería tirar del tejido del espacio-tiempo, frenando la expansión, pero los datos de supernovas sugieren otra cosa. Si los cosmólogos aceptan el principio cosmológico y suponen que esta aceleración es igual en todos sitios, nos lleva a la conclusión de que el universo debe estar impregnado de una exótica forma de energía, la energía oscura, que ejerce una fuerza repulsiva.

Nada que encaje con la descripción de la energía oscura aparece en el Modelo Estándar de partículas fundamentales y fuerzas de la física. Es una sustancia que aunque no se ha medido de forma directa, tiene propiedades distintas a cualquier otra cosa que se haya visto y tiene una densidad de energía de aproximadamente 10120 veces menos de lo que se había ingenuamente esperado. Los físicos tienen ideas de lo que podría ser, pero siguen siendo especulativas. Para abreviar, estamos en gran parte a oscuras sobre la energía oscura. Los investigadores trabajan en un número de ambiciosas y caras misiones espaciales y terrestres para encontrar y caracterizar la energía oscura, sea lo que sea. Para muchos, es el mayor reto al que se enfrenta la cosmología moderna.

Una alternativa más lumiosa

Enfrentados a algo tan extraño y aparentemente improbable, algunos investigadores están revisitando el razonamiento que les llevó a esto. Una de las primeras suposiciones que se están cuestionando es si vivimos en una parte representativa del universo. ¿Podría tenerse en cuenta las pruebas de la energía oscura de otra forma si abandonásemos el principio cosmológico?

En el marco convencional, hablamos de la expansión del universo como un todo. Es muy similar a cuando hablamos de un globo que se hincha: discutimos cómo de grande puede ser todo el globo, no cuánto se infla cada zona aislada del globo. Pero todos hemos tenido alguna experiencia con esos molestos globos de fiesta que se inflan de forma desigual. Un anillo se amplia rápidamente, y el final necesita un rato para terminarse. En una visión alternativa del universo, una que abandone el principio cosmológico, el espacio también se expande de forma desigual. Surge de esta forma una descripción más compleja del cosmos.

Considera el siguiente escenario, sugerido por primera vez por George Ellis, Charles Hellaby y Nazeem Mustapha, todos de la Universidad de Ciudad del Cabo en Sudáfrica, y posteriormente continuado por Marie-Noelle Celerier del Observatorio París-Meudon de Francia. Supón que el índice de expansión está frenándose en todos lados, conforme la materia tira del espacio-tiempo y lo frena. Supón, además, que vivimos en un gigantesco vacío cósmico no totalmente vacío, sino uno en el cual la densidad media de materia es sólo la mitad o tal vez un tercio de la densidad exterior. Cuanto más vacía es una zona, menos materia contiene para frenar la expansión del espacio; de acuerdo con esto, el índice de expansión local es más rápido dentro del vacío que en el resto. El índice de expansión es más máximo en el centro del vacío y disminuye hacia los bordes, donde la mayor densidad exterior comienza a hacerse sentir. En un momento dado distintas partes del espacio se expandirán a índices diferentes, como el globo de fiesta que se infla de forma desigual.

Ahora, imagina que las supernovas estallan en distintas partes de este universo no homogéneo, algunas más cerca del centro del vacío, otras más cerca de los bordes y otras fuera del mismo. Si estamos cerca del centro del vacío u una supernova está lejos, el espacio se expande más rápido en nuestra vecindad de lo que lo hace en la posición de la supernova. Cuando la luz de la supernova viaja hacia nosotros, pasa a través de regiones que se expanden a índices incluso mayores. Cada región estira la luz una cierta cantidad cuando pasa por ella, y el efecto acumulativo produce el desplazamiento al rojo que observamos. La luz que viaja una distancia dada está desplazada al rojo menos de lo que lo estaría si todo el universo se expandiera a nuestro ritmo local. Inversamente, para lograr un cierto desplazamiento al rojo en tal universo, la luz tiene que viajar una distancia mayor de lo que lo haría en uno que se expandiera de manera uniforme, en cuyo caso la supernova tiene que estar más lejos y por tanto parecer más tenue.

Otra forma de decir esto es que la variación del índice de expansión con la posición imita una variación con el tiempo. De esta forma, los cosmólogos pueden explicar las inesperadas observaciones de supernova sin invocar a la energía oscura. Para que funcione tal explicación alternativa, tendríamos que vivir en un vacío de proporciones verdaderamente cósmicas. Las observaciones de supernova se extenderían a miles de millones de años luz, una fracción significativa de todo el universo observable. Un vacío tendría que tener un tamaño similar. Enorme para (casi) todos los estándares.

Una posibilidad exagerada

Entonces, ¿cómo de abrumador es este vacío cósmico? A primera vista, mucho. Parecería volar en la cara del fondo de microondas cósmico, el cual es uniforme en una parte en cada 100 000, por no mencionar la distribución aparentemente uniforme de las galaxias. Una inspección más detallada, no obstante, muestra que esta prueba puede que no sea tan concluyente.

La uniformidad de la antigua radiación requiere que el universo tenga casi el mismo aspecto en todas direcciones. Si es un vacío aproximadamente esférico y estamos razonablemente cerca del centro, estas observaciones no lo excluyen necesariamente. Además, el fondo de microondas cósmico tiene algunas características análogas que podrían explicarse potencialmente mediante inhomogeneidad a gran escala.

Para la distribución de galaxias, los estudios actuales no se extienden lo suficiente para descartar un vacío del tamaño que imitaría la energía oscura. Identifican vacíos menores, filamentos de materia y otras estructuras de cientos de millones de años luz de tamaño, pero el famoso vacío es de un orden de magnitud mayor. Actualmente estamos en un animado debate en la astronomía sobre si los estudios de galaxias corroboran el principio cosmológico. Un reciente análisis de David Hogg de la Universidad de Nueva York y sus colaboradores indican que las mayores estructuras del universo tienen aproximadamente 200 millones de años luz de tamaño; a mayores escalas, la materia parece distribuirse equitativamente, de acuerdo con el principio. Pero Francesco Sylos Labini del Centro Enrico Fermi en Roma y sus colegas argumentan que las mayores estructuras descubiertas hasta el momento están limitadas sólo por el tamaño de los estudios galácticos que las encontraron. Por lo que estructuras mayores podrían extenderse más allá del ámbito de los estudios.

Análogamente, supón que tienes un mapa mostrando una región de 10 kilómetros de anchura, en la cual un camino se extiende de un lado a otro. Sería un error concluir que el camino más largo posible es de 10 kilómetros de largo. Para determinar la longitud del camino más largo, se necesitaría un mapa que muestre claramente los extremos de todos los caminos, de tal forma que sepas su extensión total. De forma similar, los astrónomos necesitarían un estudio de galaxias que sea mayor que las mayores estructuras del universo si quieren demostrar el principio cosmológico. Si los estudios son ya lo bastante grandes, es el tema del debate.

Para los teóricos, también, un colosal vacío es difícil de tragar. Todas las pruebas disponibles sugieren que las galaxias y estructuras mayores como filamentos y vacíos crecen a partir de semillas cuánticas microscópicas que la expansión cósmica agrandó a proporciones astronómicas, y la teoría cosmológica hace formes predicciones de cuántas estructuras deberían existir con un cierto tamaño. Cuanto más grande es una estructura, más rara debería ser. La probabilidad de un vacío lo bastante grande para imitar la energía oscura es menor de una parte en 10100. Los vacíos gigantes pueden perfectamente existir ahí fuera, pero la posibilidad de encontrar uno en nuestro universo observable sería diminuta.

Aún así, existe una posible brecha. A principios de la década de 1990 uno de los autores de lo que ahora es el modelo estándar de los inicios del universo, Andrei Linde, y sus colaboradores de la Universidad de Stanford demostró que aunque los vacíos gigantes son raros, se expanden rápidamente al inicio y llegaron a dominar el volumen del universo. La probabilidad de que los observadores se encuentren a sí mismo dentro de tal estructura no son tas escasas después de todo. Este resultado demuestra que el principio cosmológico (que no vivimos en un lugar especial del universo) no siempre es lo mismo que el principio de mediocridad (que somos los observadores comunes). Se puede, por lo que parece, ser tanto común como vivir en un lugar especial.

Comprobando el vacío

¿Qué podrían decirnos las observaciones sobre si el universo está dirigido por la energía oscura o si vivimos en un lugar especia, como el centro de un gigantesco vacío? Para probar la presencia de un vacío, los cosmólogos necesitan un modelo que funcione de cómo es espacio, el tiempo y la materia deberían comportarse en su vecindad. Tal modelo se formuló en 1933 por Abb Georges Lemaitre, e independientemente re-descubierto un año más tarde por Richard Tolman y posteriormente desarrollado después de la Segunda Guerra Mundial por Hermann Bondi. El universo que imaginaron tenía unos índices de expansión que dependían no sólo del tiempo sino también de la distancia a un punto específico, justo como ahora se teoriza.

Con el modelo de Lemaitre-Tolman-Bondi en la mano, los cosmólogos pueden hacer predicciones sobre un rango de cantidades observables. Para empezar, considera la supernova que llevó en primer lugar a deducir la energía oscura. Cuantas más supernovas observan los astrónomos, más precisamente pueden reconstruir la historia de la expansión del universo. Estrictamente hablando, estas observaciones no pueden descartar el modelo del vacío, dado que los cosmólogos podrían recrear cualquier conjunto de datos de supernovas eligiendo una forma adecuada para el vacío. Para que un vacío fuese completamente indistinguible de la energía oscura, tendría que tener algunas propiedades realmente extrañas.

La razón es que la famosa expansión acelerada tiene lugar hasta el momento actual. Para que un vacío lo imite exactamente, el índice de expansión debe decrecer acusadamente lejos de nosotros y en cada dirección. Por tanto, la densidad de materia y energía debe incrementarse acusadamente lejos de nosotros y en cada dirección. El perfil de densidad debe tener un aspecto similar al de un sombrero de bruja del revés, la punta del sombrero corresponde con dónde vivimos. Tal perfil iría contra toda nuestra experiencia de qué aspecto tendrían las estructuras del universo: normalmente son lisas, no punteadas. Aún peor, Ali Van der Veld y Anna Flanagan, ambos de la Universidad de Cornell, demostraron que la punta del sombrero, donde vivimos, tendría que ser una singularidad, como las regiones ultradensas en el centro de un agujero negro.

No obstante, si el vacío tiene un perfil de densidad liso más realista, entonces aparece una firma observacional distintiva. Los vacíos lisos aún producen observaciones que podrían ser confundidas con la aceleración, pero su carencia de puntos indican que no reproducen exactamente los mismos resultados que la energía oscura. En particular, el índice aparente de aceleración varía con el desplazamiento al rojo de una forma reveladora. En un artículo junto a Kate Land, entonces en la Universidad de Oxford, demostramos que varios cientos de nuevas supernovas, sobre los cientos que tenemos actualmente, deberían ser suficientes para zanjar el tema. Las misiones de observación de supernovas son una muy buen opción de lograr pronto este objetivo.

Las supernovas no son las únicas observaciones disponibles. Jeremy Goodman de la Universidad de Princeton sugirió otra posible prueba en 1995 usando el fondo de microondas cósmico. En ese momento, la mejor prueba de la energía oscura aún no había surgido, y Goodman no estaba buscando explicación para ningún fenómenos de supernovas inexplicado, sino una prueba para el propio Principio Copernicano. Su idea era usar lejanos cúmulos de galaxias como espejos para observar el universo desde distintas posiciones, como un vestidor celestial. Los cúmulos de galaxias reflejan una pequeña fracción de la radiación de microondas que impacta en ellos. Midiendo cuidadosamente el espectro de esta radiación, los cosmólogos podrían deducir algunos aspectos de cómo se vería el universo si se observara desde uno de ellos. Si un desplazamiento en nuestro punto de vista cambiara el aspecto del universo, sería una poderosa prueba para un vacío o una estructura similar.

Dos equipos de cosmólogos pusieron a prueba esta idea recientemente. Robert Caldwell de Dartmouth College y Albert Stebbins del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi en Batavia, Illinois, estudiaron medidas precisas de las distorsiones en el fondo de microondas, y Juan Garcíaa-Bellido de la Universidad de Madrid y Troels Haugbolle de la Universidad de Aarhus en Dinamarca observaron directamente a un cúmulo aislado. Ninguno de los grupos detectó un vacío; lo más que pudieron hacer los investigadores fue refinar las propiedades que podría tener tal vacío. El satélite Planck Surveyor, sque está previsto que se lance este mes, debería ser capaz de colocar límites más estrictos a las propiedades del vacío y tal vez descartarlo por completo.

Una tercera aproximación, defendida por Bruce Bassett, Chris Clarkson y Teresa Lu, de la Universidad de Ciudad del Cabo, es hacer medidas independientes del índice de expansión en distintas posiciones. Los astrónomos normalmente miden los índices de expansión en términos de desplazamiento al rojo, el cual es el efecto acumulativo de la expansión de todas las regiones del espacio entre un cuerpo celeste y nosotros. Acumulando todas estas regiones, el desplazamiento al rojo no puede distinguir entre una variación del índice de expansión en el espacio de una en el tiempo. Sería mejor medir el índice de expansión en posiciones espaciales específicas, separando los efectos de la expansión en otras posiciones. Esta es una propuesta difícil, no obstante, y aún debe realizarse. Una posibilidad es observar cómo se forman las estructuras en distintos lugares. La formación y evolución de las galaxias y los cúmulos galácticos dependen, en gran medida, del índice de expansión local. Estudiando estos objetos en distintas localizaciones y teniendo en cuenta otros efectos que desempeñan un papel en su evolución, los astrónomos pueden ser capaces de cartografiar sutiles diferencias en el índice de expansión.

Un lugar no tan especial

La posibilidad e que vivamos en medio de un gigantesco vacío cósmico es un rechazo extremo del principio cosmológico, pero existen posibilidades intermedias. El universo podría obedecer el principio cosmológico a grandes escalas, pero los vacíos más pequeños y los filamentos que los estudios galácticos han descubierto podrían imitar de forma colectiva los efectos de la energía oscura. Tirthabir Biswas y Alessio Notari, ambos de la Universidad McGill, así como Valerio Marra y sus colaboradores, entonces en la Universidad de Padua en Italia y la Universidad de Chicago, han estudiado esta idea. En sus modelos, el universo parece un queso suizo uniforme en su globalidad pero salpicado de agujeros. Por consiguiente, el índice de expansión varía ligeramente de un lugar a otro. Los rayos de luz emitidos por las lejanas supernovas viajan a través de multitud de estos pequeños vacíos antes de llegar a nosotros, y las variaciones en el índice de expansión varían su brillo y desplazamiento al rojo. Hasta el momento, no obstante, la idea no parece muy prometedora. Uno de nosotros (Clifton), junto con Joseph Zuntz de Oxford, demostró recientemente que reproducir los efectos de la energía oscura necesitaría grandes cantidades de vacíos de densidad muy baja, distribuidos de una forma especial.

Otra posibilidad es que la energía oscura sea un artefacto de las aproximaciones matemáticas que usan rutinariamente los cosmólogos. Para calcular el índice de expansión cósmica, normalmente contamos cuánta materia contiene una región del espacio, dividida por el volumen de la región y de aquí se llega a la densidad media de energía. Entonces insertamos esta densidad media en las ecuaciones de Einstein de la gravedad y determinamos el índice medio de expansión del universo. Aunque la densidad varía de un lugar a otro, tratamos estas dispersiones como pequeñas fluctuaciones sobre la media global.

El problema es que resolver las ecuaciones de Einstein para una distribución media de materia no es lo mismo que resolverlas para la distribución de materia real y luego hacer la media de la geometría resultante. En otras palabras, hacemos la media y luego resolvemos, cuando realmente deberíamos resolver y hacer la media.

Resolver el conjunto completo de ecuaciones para incluso una vaga aproximación del universo real es impensablemente complejo, y por tanto la mayor parte de nosotros tomamos el camino más simple. Thomas Buchert de la Universidad de Lyon en Francia ha iniciado la tarea de determinar cómo de buena es esta aproximación con respecto a la realidad. Ha introducido un conjunto extra de términos en las ecuaciones cosmológicas para tener en cuenta el error introducido por la media antes de la resolución. Si estos términos se demuestra que son pequeños, entonces la aproximación es buena; si son grandes, no lo es. Estos resultados, hasta el momento, no son concluyentes. Algunos investigadores han sugerido que los términos extra pueden ser suficientes para tener en cuenta toda la energía oscura, mientras que otros afirman que son nimios.

Las pruebas observacionales para distinguir entre la energía oscura y los modelos de vacío se llevarán a cabo en un futuro muy cercano. El Estudio del Legado de Supernovas, liderado por Pierre Astier de la Universidad de París, y la Misión Conjunta de Energía Oscura, actualmente en desarrollo, deberían indicar la historia de la expansión del universo. El satélite Planck Surveyor y una variedad de instrumentos terrestres y en globos cartografiarán el fondo de microondas en un detalle incluso mayor. El Conjunto del Kilómetro Cuadrado, un gigantesco radiotelescopio planificado para 2020, nos suministrará un estudio de todas las galaxias en nuestro horizonte observable. Esta revolución en la cosmología comenzó hace una década, y está lejos de terminar.