El Universo que no entendemos: De Einstein a la Materia Oscura

46 páginas, esa es la extensión de uno de los mejores modelos teóricos que ha creado alguna vez una mente humana. Estoy hablando de la teoría general de la relatividad, publicada por Albert Einstein en 1916. A diferencia de la física práctica, en la que los científicos emplean un enorme repertorio de aparatos e instrumentos para desarrollar sus experimentos, en el caso de los físicos teóricos tan solo disponen de su imaginación para trabajar. Además, una vez que estos físicos han desarrollado una teoría o modelo, algo muy complejo, todavía les queda la ardua tarea de buscar en el mundo real las evidencias que respalden esas teorías. Precisamente este problema lo sufrió Einstein, ya que no pudo llegar a ver las evidencias que respaldan su teoría general de la relatividad. Sin embargo, el 11 de febrero de 2016, los científicos encargados del experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) anunciaron el descubrimiento de las ondas gravitacionales que Einstein había predicho hacía exactamente 100 años. Estas ondas gravitacionales son fluctuaciones generadas en las curvatura del espacio-tiempo que se propagan como ondas a la velocidad de la luz y son producidas por perturbaciones gravitacionales colosales. ¿Se te ocurre que puede generar este tipo de perturbaciones? Exacto, los agujeros negros. Pero no un simple agujero negro, sino la colisión de dos de ellos, aunque la explosión de una supernova también es capaz de generar estas ondas gravitacionales.

En 1998, dos grupos de investigadores detectaron decenas de las supernovas más lejanas que habíamos observado nunca; sin embargo, eran más tenues de lo que deberían ser. Estas supernovas muestran una característica importante y es que son, en términos astrofísicos, candelas estándar, es decir, sirven como referencia para calcular distancias ya que la energía liberada cuando explotan es muy homogénea. También existe otro método para medir la distancia entre galaxias, y se basa en la recesión de la Vía Láctea. Como el universo está en expansión, los objetos más lejanos se alejan de nosotros más rápido que los que se encuentran cerca. Esto se debe a que hay más espacio expandiéndose entre una galaxia lejana y la Vía Láctea en comparación con una más cercana, lo que comúnmente se conoce como la ley de Hubble. Con este alejamiento diferencial de otras galaxias respecto a la nuestra, también podemos calcular distancias en astronomía. Ambos métodos mencionados están comprobados y demostrados por separado, pero cuando los usamos para medir la misma galaxia aparecen los problemas. ¡Los resultados son muy diferentes! Se había encontrado una nueva fuerza repulsiva en el universo que no se podía explicar. Para definirla se acuñó el término “energía oscura”, que es el término con el que nos seguimos refiriendo a esta fuerza tan misteriosa e inexplicable.

Ondas gravitacionales generadas por dos agujeros negros (Fuente: SINC)

Esta fuerza no solo equilibra la gravedad, sino que la vence, y es una de las mejores explicaciones de las que disponen los astrofísicos para explicar la expansión acelerada del universo. Es decir, este tipo de energía es capaz de acelerar la velocidad de expansión del universo, pero no tenemos ni la más remota prueba de su existencia más allá de nuestros cálculos. No hemos sido capaces de detectarla ni de medirla y, sin embargo, la energía oscura parece ser una de las cosas más abundantes del universo. De hecho, se cree que es responsable del 68% de toda su masa-energía, mientras que la materia oscura es un 27% y la materia bariónica (compuesta de bariones como los protones y los neutrones de todos los átomos que conocemos) tan solo representa un 5%. La energía oscura, al contrario de la energía presente en partículas y radiaciones, no se diluye en el espacio, ya que cuanto más se expande el universo más cantidad de ella podemos encontrar. Por eso la energía oscura domina la gravedad, ya que con el tiempo es una clara vencedora. De hecho, según los cálculos actuales, la energía oscura lleva ganando su batalla con la gravedad desde hace 7.000 millones de años.

Algunos físicos han intentado dar una explicación a esta energía, tratando de encontrar otros tipos de energía que rellenen el vacío del espacio, ya que es posible rellenar este vacío de muchas formas distintas como con un campo de Higgs o con fluctuaciones cuánticas del vacío. Sin embargo, aunque sumemos todas estas posibles contribuciones energéticas, el resultado es muchísimo mayor del que medimos experimentalmente. Por ello, una de las posibilidades que existen se basa en que ni la energía oscura ni la materia oscura existen realmente, y que estemos recabando los datos de forma incorrecta. Una de las teorías más empleadas por los científicos que niegan la existencia de la materia oscura y la energía oscura se basa en que vivimos en una zona peculiar del universo, una zona en la que por alguna extraña razón, las observaciones que realizamos no cuadran con el modelo que tenemos del universo. No obstante, los científicos siguen empleando diversos métodos para tratar de probar la existencia de la energía oscura, y uno de los principales candidatos se basa en las oscilaciones acústicas de bariones, pero para poder entender este método, debemos entender algunos fundamentos de la formación del universo.

Cuando se formó el universo después del Big Bang, los protones y electrones, en vez de unirse para formar átomos, estaban en un estado libre en un plasma que impedía que las radiaciones escaparan. La gravedad comprimía este plasma pero no lo hacía de forma uniforme, sino que su presión era mayor en unas zonas que en otras. A su vez, la radiación empujaba estas zonas de presión en sentido contrario, los que generaba que se propagaran ondas, ondas conocidas como oscilaciones acústicas de bariones. Cuando el universo se enfrió lo suficiente, las ondas se detuvieron y provocaron que existieran zonas con una mayor densidad de materia, zonas donde se formaron las galaxias. Como conocemos donde están las galaxias actualmente y también sabemos donde se encontraban originalmente, gracias al Fondo de Radiaciones de Microondas, podemos deducir cómo ha evolucionado la expansión del universo. La NASA y la ESA están trabajando en una misión conjunta en este tema, la misión Euclides que cartografiará la forma, el brillo y la distribución de 2.000 millones de galaxias. Con esta misión se intentará recabar datos que permitan explicar los efectos que tiene la energía oscura y la materia oscura sobre las galaxias. La misión Euclides se operará desde la Tierra y está formada por más de 1.000 científicos de 100 instituciones distribuidas en 14 países, un auténtico megaproyecto internacional que tratará de desvelar uno de los misterios más grandes de nuestro universo.

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