Energía oscura y la expansión acelerada del Universo

A escalas astronómicas, la gravedad es la fuerza más importante. Hace que los cuerpos se atraigan con una intensidad que aumenta con sus masas y que decrece aproximadamente como el cuadrado de la distancia que los separa. Por esto, uno de los descubrimientos más sorprendentes del siglo XX fue que nuestro Universo se está expandiendo, y que su velocidad de expansión se está acelerando. Esta expansión parece originarse en una fuente hasta ahora poco comprendida, conocida como energía oscura. La expansión del Universo y la naturaleza de esta energía oscura dan lugar a algunas de las preguntas más profundas de la ciencia.

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La evidencia de que el Universo se está expandiendo comenzó a hacerse firme en la década de 1920 y 1930, a partir de observaciones a galaxias distantes. Edwin Hubble mostró que todas estas galaxias se alejan de la nuestra con una velocidad que aumenta proporcionalmente a su distancia. Estas gigantescas distancias se miden en Megaparsecs, aproximadamente un 3 seguido de 22 ceros en metros.

Las velocidades también son enormes, del orden de cientos de miles de kilómetros por hora. Para realizar estas mediciones se utiliza el corrimiento al rojo de la luz: la luz que observamos de estrellas que se alejan de nosotros tiene menor frecuencia que la generada por una estrella quieta. Esto hace que su luz se vea más roja o menos azul. Algo relacionado ocurre con el sonido: la sirena de una ambulancia que se acerca suena más aguda que cuando se aleja de nosotros. Sin embargo, los datos de Hubble y otros astrónomos no podían explicarse simplemente a partir de galaxias que se mueven en un espacio pre-existente; parecían sugerir que el espacio en sí mismo se estaba expandiendo.

Los descubrimientos teóricos de Albert Einstein resultaron fundamentales para entender esta expansión. En su llamada teoría de la Relatividad General, Einstein aseguró que la geometría del espacio y del tiempo es dinámica; se adapta a la presencia de fuentes de energía, como las estrellas o los planetas. La noción misma de distancia puede cambiar. Así, la atracción entre la Tierra y el Sol se explica porque la presencia del Sol curva el espacio-tiempo que lo rodea, y la Tierra sigue la trayectoria de menor tiempo en este espacio curvo.

Cuatro científicos: Friedman, Lemaitre, Robertson y Walker, mostraron que las ecuaciones de Einstein pueden dar lugar matemáticamente a un universo donde la escala de distancias aumenta a medida que transcurre el tiempo. Hoy en día sabemos que este modelo, abreviado por las siglas de sus autores FLRW, describe nuestro Universo a las escalas más grandes de distancia, en las que éste aparece como una distribución homogénea e isotrópica de galaxias. Las galaxias que nos rodean se alejan de nosotros porque el espacio en sí mismo se está expandiendo, y la noción de distancia está creciendo.

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Luego de estos progresos de la década del 30, la astronomía y cosmología se beneficiaron de rápidos avances tecnológicos que permitieron construir telescopios cada vez más poderosos. A partir de 1970 esto incluyó también observatorios espaciales, que no se ven afectados por la radiación de nuestra atmósfera. De esta manera, comenzó a elaborarse un modelo estándar de cosmología que explica, entre otras cosas, la estructura del Universo a grandes escalas y la abundancia de elementos químicos. Sin embargo, un nuevo y sorprendente descubrimiento estaba por realizarse.

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El modelo de FLRW predecía que, en un universo dominado por materia que se atrae gravitatoriamente, la expansión tenía que desacelerarse con el tiempo. Todo cambió a partir de 1998, cuando dos grupos de astrónomos (dirigidos por Perlmutter y Riess, respectivamente) establecieron que la velocidad de expansión está creciendo exponencialmente rápido. Radiación o materia conocidas no pueden producir esto. Por el contrario, estas observaciones mostraron que debe existir una nueva fuente capaz de generar una fuerza cosmológica repulsiva. Actualmente esto se conoce como energía oscura, y su explicación física continúa siendo un misterio. Alrededor del 70% de toda la densidad de energía del Universo proviene de la energía oscura, y esto causa una expansión del espacio como la que se muestra en la figura.

El futuro del Universo

El descubrimiento de la energía oscura ha abierto muchos interrogantes en astronomía, física y hasta en filosofía. Podría originarse en la llamada constante cosmológica, propuesta originalmente por Einstein. Sin embargo, la física actual no ha logrado explicar su valor, que es ciento veinte órdenes de magnitud (¡un 1 seguido de 120 ceros!) más pequeño de lo esperado.

Es posible que esto requiera una teoría de gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas. Por otro lado, el físico Steven Weinberg mostró que el valor de esta constante cosmológica es sorprendentemente cercano al necesario para que puedan formarse galaxias, estrellas y planetas. Esto sugiere un principio antrópico: si la densidad de energía oscura fuera muy distinta de la medida, no existiríamos aquí para realizar esta observación. Entonces, ¿debemos tratar de explicar la magnitud de la energía oscura, o es un accidente de nuestro universo? Aún no lo sabemos. Otra consecuencia profunda de esta expansión es que regiones distantes del Universo se alejan de nosotros a velocidades que superan la velocidad de la luz; tarde o temprano estas galaxias dejarán de ser observables. Esto define un horizonte cosmológico, más allá del cual no podemos ver.

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La física del horizonte cosmológico guarda similitudes con lo que sucede cerca de los horizontes de agujeros negros, y este paralelismo podría dar lugar a nuevas formas de entender la dinámica de nuestro Universo. ¿Qué existe más allá del horizonte cosmológico? ¿Tiene sentido incluir estas regiones en las ecuaciones de la física, aunque no podamos detectarlas? Estas son preguntas fundamentales para nuestra generación y generaciones futuras. Esperamos que, en los próximos años, nuevos y más sofisticados métodos astronómicos revelen la naturaleza de la energía oscura, y así nos ayuden a comprender el futuro de nuestro Universo.

*El autor es doctor en Física, investigador del Conicet. Centro Atómico Bariloche. Recibió en 2020 el premio Estímulo a la Física Dr Mario Bunge por parte de la Academia Nacional de Ciencias.

*Producción y edición: Miguel Títiro: mtitiro@losandes.com.ar