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Charla: La energía oscura

El pasado viernes 6 de septiembre el compañero Plácido González nos ofreció una interesante e instructiva charla sobre la energía oscura.

 

Para hablar de la energía oscura, tenemos que remontarnos a principios del siglo XX, en concreto a Albert Einstein y sus teorías de la relatividad especial y general. De sus ecuaciones se derivaba que el Universo estaba o expandiéndose o contrayéndose, algo que no gustaba a Einstein, que era partidario de un universo estacionario. Para que sus ecuaciones cuadraran con su modelo cosmológico preferido introdujo en 1917 la “constante cosmológica", idea que rechazó  unos años después -en 1931-, afirmando que era el mayor error de su carrera.

El conocimiento que teníamos del tamaño del Universo en esas primeras décadas del siglo XX era casi nulo. No se conocía el tamaño de la Vía Láctea -nuestra galaxia- ni si había algo más allá de ella.

Posteriormente, el sacerdote y cosmólogo George Lemaitre concluyó que las ecuaciones de Einstein eran correctas, y que el Universo se está expandiendo, aunque todavía no se sabía su tamaño. Por esa época, Edwin Hubble inició sus investigaciones sobre el corrimiento al rojo de las galaxias. Un punto importante de sus investigaciones fueron las estrellas Cefeidas, un tipo de estrellas variables. Para conocer el tamaño del Universo, debemos saber la distancia a las cosas. Fue Henrietta Leavitt la que descubrió las estrellas cefeidas, en las que existe una relación entre su brillo y su período. Son gigantes rojas que se contraen y se expanden. El mecanismo era conocido, y al haber varias en la Vía Láctea, se pudo comprobar una relación entre su período y su luminosidad. A partir de ahí, se podía saber si estaban lejos o cerca. Hubble encontró cefeidas en la "nebulosa" (entonces se llamaba así) de Andrómeda, y descubrió que el Universo era más grande y se extendía más allá de la Vía Láctea. Posteriormente, fueron descubriéndose más y más galaxias. Hubble también descubrió que, salvo la galaxia de Andrómeda y algunas pocas más, las galaxias se estaban alejando de nosotros, por lo que llegó a la conclusión de que el Universo se estaba expandiendo. Y que cuando más lejos estaban las galaxias, más rápidamente se alejaban. Pero antes de continuar con este razonamiento, tenemos que volver a los años 30, y al astrónomo Fritz Zwicky. Es hora de hablar de la materia oscura

 

Zwicky, estudiando el movimiento de las galaxias del Cúmulo de Coma, se dio cuenta de que las galaxias se movían de una forma que no correspondía con su masa. Debía haber masa oculta que no se veía en ningún rango de longitud de onda. Zwicky predijo que debía haber materia oscura, pero esta idea cayó en el olvido, hasta que en los años 70 Vera Rubin se dio cuenta de que las galaxias rotaban de una forma muy extraña. Y es que rotaban como un disco sólido, lo cual es imposible teniendo en cuenta la materia que las forma. Cuando algo gira, lo que se encuentra más lejos del centro está menos afectado por la gravedad, por lo que debe rotar más lentamente para compensar su menor atracción gravitatoria. Esto lo podemos comprobar, por ejemplo, en el Sistema Solar y las órbitas de los planetas, que siguen las leyes de Kepler y Newton. Pero Rubin descubrió que la parte exterior de las galaxias gira a la misma velocidad que la parte interior, lo cual implica la existencia de materia oscura que hace que la galaxia se comporte como un objeto sólido. La materia oscura no se puede ver, solo se ven sus efectos gravitatorios. No sabemos lo que es. Estos descubrimientos se observan muy bien en el Cúmulo Bala, dos cúmulos de galaxias en colisión. Por cierto, debemos aclarar que cuando chocan dos galaxias no hay contacto entre las estrellas, aunque el conjunto, eso sí, se deforma. En la foto de abajo, en azul se aprecia la materia oscura. Si nos fijamos bien se ve que la materia oscura ha creado un efecto de “lente gravitatoria”.

Pero volvamos a la energía oscura y a Hubbl y a sus observaciones de que el Universo se estaba expandiendo. La primera tasa de expansión del Universo que calculó Hubble fue de 600 Km/s por megaparsec. Un objeto a un megaparsec de distancia se aleja de nosotros a 600 Km/s. A dos megaparsec, a 1200 km/s. Posteriormente los métodos de cálculo se fueron refinando. Durante un tiempo, las cefeidas fueron un buen método para calcular distancias, pero en los años 50 se descubrió que había dos tipos de cefeidas, cuyos  brillos y períodos no tienen nada que ver. Al corregir los datos, hubo que aumentar la distancia a la que se encontraba la galaxia de Andrómeda, y con ello la velocidad de expansión del Universo se fue reduciendo. Hoy en día se sitúa en unos 70 km/s por megaparsec, es decir, se ha reducido en un 90% desde que la calculara Hubble.

Lo indudable es que el Universo se está expandiendo. Y si se está expandiendo, antes tuvo que estar contraído. A partir de ahí, surgió la teoría del Big Bang. Todo se va acercando hasta que ocupa un punto infinitesimal. Esto estaba claro hasta que en 1998, dos equipos de astrónomos de EEUU decidieron calcular si se estaba frenando la expansión del Universo.  Podemos asimilar el Big Bang a una gran explosión. Como toda explosión donde afecta la gravedad, tendrá que haber un momento en que la gravedad se imponga y haga que la expansión se frene. La sorpresa de los astrónomos fue que la expansión del Universo no se estaba frenando, sino que se estaba acelerando, lo cual contradice todas las teorías que había hasta esa época. El Universo debería contraerse, y llegar a un Big Crunch. Los astrónomos empezaron a pensar que tenía que haber algo que lo acelerase. No se sabía qué tipo de energía, pero estaba ahí. La edad del Universo se estima en unos 13.800 millones de años, y sabemos que su expansión se ha ido acelerando en los últimos 5.000 millones de años.

Al principio, con el universo pequeño, pasaba como en la Tierra, que dominaba la gravedad. Pero al llegar a los 8.000 millones de años de edad bajó la densidad de materia tanto que empezó a predominar la energía oscura. No sabemos lo que es, pero tiende a expandir.

Aquí debemos echar mano de la Física de Partículas. El principio de indeterminación de Heisenberg dice que no se puede saber en un momento dado sobre una partícula si tiene una velocidad y una masa concretas. Podemos saber una cosa o la otra. ¿Qué tiene que ver eso con la energía oscura? Pues que eso mismo se aplica no solo a las partículas sino también al espacio. Si en el espacio vacío no hubiera energía estaríamos violando el principio de indeterminación de Heisenberg, y hasta ahora todos los experimentos han demostrado que es correcto. No puede haber una cantidad cero de energía en el espacio vacío. Puede ser un tipo de energía oscura.

Hablemos ahora de la estructura del Universo. Las estrellas se agrupan en galaxias, las galaxias se agrupan en cúmulos, los cúmulos en supercúmulos y los supercúmulos en filamentos de materia, que es la superestructura a gran escala del Universo. Es como una esponja. La materia se tiende a agrupar en filamentos, y quedan grandes espacios vacíos (de cientos de millones de años-luz de diámetro). La Vía Láctea forma parte del Grupo Local de Galaxias, que se encuentra en el borde de un filamento que se conoce como Gran Muralla. En los espacios vacíos, la expansión del Universo se produce más deprisa. ¿Y dónde se acaba la expansión? El espacio se expande, pero la Tierra no se expande. El Sistema Solar y la Vía Láctea son "objetos sólidos". Se considera objeto sólido todo lo que se mueve relacionado por la gravedad.  Pero la materia ordinaria es básicamente vacío. En el Sistema Solar, hay mucho vacío. Y los átomos también tienen mucho vacío. En la práctica, todo lo que hay es vacío. ¿Por qué el espacio se expande y nosotros no? Una conclusión que se puede extraer es que los espacios vacíos se expanden más: se llama “brackreaction”. Donde no hay materia, domina la expansión del espacio, domina la energía oscura. Aquí en la Tierra donde la materia es de alta densidad, y dominan la gravedad, la fuerza electromagnetica, y las fuerzas nucleares fuerte y débil, la expansión sería mínima, incluso nula. Esas fuerzas serían superiores que la fuerza de expansión del Universo.

Volvamos al Big Bang. Tenemos una cantidad de materia infinita concentrada en un punto infinitesimal. Llega a ser un punto nulo, sin medidas. ¿Eso qué es? Pues, un agujero negro. Estamos dentro de un agujero negro.

En cuanto al porcentaje de materia que hay en el Universo, las cifras varían de un autor a otro, pero la mayoría ofrecen las siguientes:

  • 70% de energía oscura.
  • 25% de materia oscura
  • 5% de materia ordinaria.

Y con esto, terminó la conferencia. A continuación se abrió un turno de preguntas que se extendió durante media hora, debido al interés que suscitó la temática de la conferencia.

Texto y fotos cortesía Posete