Hace unos 13.800 millones de años, el universo comenzó con una rápida expansión que llamamos el Big Bang. Después de esta expansión inicial, que duró una fracción de segundo, la gravedad comenzó a ralentizar el universo. Pero el cosmos no se quedaría así. Nueve mil millones de años después de que comenzara el universo, su expansión comenzó a acelerarse, impulsada por una fuerza desconocida que los científicos han llamado energía oscura.
Pero, ¿qué es exactamente la energía oscura?
La respuesta corta es: no lo sabemos. Pero sí sabemos que existe, que está haciendo que el universo se expanda a un ritmo acelerado, y aproximadamente entre el 68,3 y el 70% del universo es energía oscura.
Un poco de historia
Todo comenzó con las cefeidas
La energía oscura no se descubrió hasta finales de la década de 1990. Pero su origen en el estudio científico se remonta a 1912, cuando la astrónoma estadounidense Henrietta Swan Leavitt hizo un importante descubrimiento utilizando variables cefeidas, una clase de estrellas cuyo brillo fluctúa con una regularidad que depende del brillo de la estrella.
Todas las estrellas cefeidas con un cierto período (el período de una cefeida es el tiempo que tarda en pasar de brillante a tenue y brillante de nuevo) tienen la misma magnitud absoluta, o luminosidad, la cantidad de luz que emiten. Leavitt midió estas estrellas y demostró que existe una relación entre su período regular de brillo y luminosidad. Los hallazgos de Leavitt hicieron posible que los astrónomos usaran el período y la luminosidad de una estrella para medir las distancias entre nosotros y las estrellas cefeidas en galaxias lejanas (y nuestra propia Vía Láctea).
Alrededor de esta misma época de la historia, el astrónomo Vesto Slipher observó galaxias espirales utilizando el espectrógrafo de su telescopio, un dispositivo que divide la luz en los colores que la componen, de manera muy similar a la forma en que un prisma divide la luz en un arco iris. Utilizó el espectrógrafo, un invento relativamente reciente en ese momento, para ver las diferentes longitudes de onda de la luz proveniente de las galaxias en diferentes líneas espectrales. Con sus observaciones, Silpher fue el primer astrónomo en observar la rapidez con la que la galaxia se alejaba de nosotros, lo que se conoce como corrimiento al rojo, en galaxias distantes. Estas observaciones resultarían fundamentales para muchos avances científicos futuros, incluido el descubrimiento de la energía oscura.
El corrimiento al rojo es un término que se utiliza cuando los objetos astronómicos se alejan de nosotros y la luz procedente de esos objetos se extiende. La luz se comporta como una onda, y la luz roja tiene la longitud de onda más larga. Por lo tanto, la luz proveniente de los objetos que se alejan de nosotros tiene una longitud de onda más larga, que se extiende hasta el "extremo rojo" del electromagnético.
Descubriendo un universo en expansión
El descubrimiento del corrimiento al rojo galáctico, la relación período-luminosidad de las variables cefeidas y una nueva capacidad para medir la distancia de una estrella o galaxia finalmente jugaron un papel en la observación de los astrónomos de que las galaxias se alejaban de nosotros con el tiempo, lo que mostró cómo se estaba expandiendo el universo. En los años que siguieron, diferentes científicos de todo el mundo comenzaron a juntar las piezas de un universo en expansión.
En 1922, el científico y matemático ruso Alexander Friedmann publicó un artículo en el que detallaba las múltiples posibilidades de la historia del universo. El artículo, que se basó en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein publicada en 1917, incluía la posibilidad de que el universo se esté expandiendo.
En 1927, el astrónomo belga Georges Lemaître, de quien se dice que desconocía el trabajo de Friedmann, publicó un artículo que también tenía en cuenta la teoría de la relatividad general de Einstein. Y, mientras que Einstein afirmó en su teoría que el universo era estático, Lemaître mostró cómo las ecuaciones de la teoría de Einstein en realidad apoyan la idea de que el universo no es estático sino que, de hecho, se está expandiendo.
El astrónomo Edwin Hubble confirmó que el universo se estaba expandiendo en 1929 utilizando observaciones realizadas por su socio, el astrónomo Milton Humason. Humason midió el corrimiento al rojo de las galaxias espirales. Hubble y Humason estudiaron las estrellas cefeidas en esas galaxias, utilizando las estrellas para determinar la distancia de sus galaxias (o nebulosas, como las llamaban). Compararon las distancias de estas galaxias con su corrimiento al rojo y rastrearon cómo cuanto más lejos está un objeto, mayor es su corrimiento al rojo y más rápido se aleja de nosotros. La pareja descubrió que objetos como las galaxias se alejan de la Tierra más rápido cuanto más lejos están, a más de cientos de miles de kilómetros por segundo, una observación que ahora se conoce como la Ley de Hubble, o la ley de Hubble-Lemaître. El universo, confirmaron, realmente se está expandiendo.
La expansión se está acelerando, muestran las supernovas
Anteriormente, los científicos pensaban que la expansión del universo probablemente se vería ralentizada por la gravedad a lo largo del tiempo, una expectativa respaldada por la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero en 1998, todo cambió cuando dos equipos diferentes de astrónomos que observaban supernovas lejanas notaron que (a un cierto corrimiento al rojo) las explosiones estelares eran más tenues de lo esperado. Estos grupos fueron dirigidos por los astrónomos Adam Riess, Saul Perlmutter y Brian Schmidt. Este trío ganó el Premio Nobel de Física 2011 por este trabajo.
Si bien las supernovas tenues pueden no parecer un hallazgo importante, estos astrónomos estaban observando las supernovas de tipo 1a, que se sabe que tienen un cierto nivel de luminosidad. Así que sabían que debía haber otro factor que hiciera que estos objetos parecieran más tenues. Los científicos pueden determinar la distancia (y la velocidad) utilizando el brillo de un objeto, y los objetos más tenues suelen estar más lejos (aunque el polvo circundante y otros factores pueden hacer que un objeto se oscurezca).
Esto llevó a los científicos a concluir que estas supernovas estaban mucho más lejos de lo que esperaban al observar sus desplazamientos al rojo.
Usando el brillo de los objetos, los investigadores determinaron la distancia de estas supernovas. Y usando el espectro, pudieron averiguar el corrimiento al rojo de los objetos y, por lo tanto, qué tan rápido se alejaban de nosotros. Descubrieron que las supernovas no estaban tan cerca como se esperaba, lo que significa que se habían alejado de nosotros más rápido de lo que se había fumado. Estas observaciones llevaron a los científicos a concluir que el universo en sí debe expandirse más rápido con el tiempo.
Si bien se han explorado otras posibles explicaciones para estas observaciones, los astrónomos que estudian supernovas aún más distantes u otros fenómenos cósmicos en años más recientes continuaron reuniendo evidencia y construyendo apoyo para la idea de que el universo se está expandiendo más rápido con el tiempo, un fenómeno ahora llamado aceleración cósmica.
Pero, a medida que los científicos construían un caso para la aceleración cósmica, también se preguntaron: ¿Por qué? ¿Qué podría estar impulsando al universo a estirarse más rápido con el tiempo?
Entra en juego la energía oscura.
¿Qué es exactamente la energía oscura?
En este momento, la energía oscura es solo el nombre que los astrónomos le dieron al misterioso "algo" que está causando que el universo se expanda a un ritmo acelerado.
La energía oscura ha sido descrita por algunos como teniendo el efecto de una presión negativa que empuja el espacio hacia afuera. Sin embargo, no sabemos si la energía oscura tiene el efecto de algún tipo de fuerza. Hay muchas ideas flotando sobre lo que podría ser la energía oscura. Aquí hay cuatro explicaciones principales para la energía oscura. Ten en cuenta que es posible que sea algo completamente diferente.
Energía de vacío:
Algunos científicos piensan que la energía oscura es una energía de fondo fundamental y siempre presente en el espacio conocida como energía del vacío, que podría ser igual a la constante cosmológica, un término matemático en las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein. Originalmente, la constante existía para contrarrestar la gravedad, lo que dio como resultado un universo estático. Pero cuando el Hubble confirmó que el universo en realidad se estaba expandiendo, Einstein eliminó la constante, llamándola "mi mayor error", según el físico George Gamow.
Pero cuando más tarde se descubrió que la expansión del universo en realidad se estaba acelerando, algunos científicos sugirieron que en realidad podría haber un valor distinto de cero en la constante cosmológica previamente desacreditada. Sugirieron que esta fuerza adicional sería necesaria para acelerar la expansión del universo. Esto teorizó que este componente misterioso podría atribuirse a algo llamado "energía del vacío", que es una energía teórica de fondo que impregna todo el espacio.
El espacio nunca está exactamente vacío. De acuerdo con la teoría cuántica de campos, existen partículas virtuales, o pares de partículas y antipartículas. Se cree que estas partículas virtuales se cancelan entre sí casi tan pronto como surgen en el universo, y que este acto de aparecer y salir de la existencia podría ser posible gracias a la "energía del vacío" que llena el cosmos y empuja el espacio hacia afuera.
Si bien esta teoría ha sido un tema popular de discusión, los científicos que investigan esta opción han calculado cuánta energía de vacío debería haber teóricamente en el espacio. Demostraron que, o bien debería haber tanta energía de vacío que, al principio, el universo se habría expandido hacia afuera tan rápidamente y con tanta fuerza que no se podrían haber formado estrellas o galaxias, o... no debería haber absolutamente ninguno. Esto significa que la cantidad de energía del vacío en el cosmos debe ser mucho menor de lo que es en estas predicciones. Sin embargo, esta discrepancia aún no se ha resuelto e incluso se ha ganado el apodo de "el problema de la constante cosmológica".
Quintaesencia:
Algunos científicos piensan que la energía oscura podría ser un tipo de fluido o campo de energía que llena el espacio, se comporta de manera opuesta a la materia normal y puede variar en su cantidad y distribución tanto en el tiempo como en el espacio. Esta versión hipotética de la energía oscura ha sido apodada quintaesencia por el quinto elemento teórico discutido por los antiguos filósofos griegos.
Incluso algunos científicos han sugerido que la quintaesencia podría ser una combinación de energía oscura y materia oscura, aunque actualmente se considera que las dos están completamente separadas entre sí. Si bien los dos son grandes misterios para los científicos, se cree que la materia oscura constituye aproximadamente el 85% de toda la materia en el universo.
Arrugas espaciales:
Algunos científicos piensan que la energía oscura podría ser una especie de defecto en el tejido del propio universo; defectos como las cuerdas cósmicas, que son hipotéticas "arrugas" unidimensionales que se cree que se formaron en el universo primitivo.
Una falla en la relatividad general:
Algunos científicos piensan que la energía oscura no es algo físico que podamos descubrir. Más bien, piensan que podría haber un problema con la relatividad general y la teoría de la gravedad de Einstein y cómo funciona a escala del universo observable. Dentro de esta explicación, los científicos piensan que es posible modificar nuestra comprensión de la gravedad de una manera que explique las observaciones del universo realizadas sin la necesidad de energía oscura. De hecho, Einstein propuso una idea de este tipo en 1919 llamada gravedad unimodular, una versión modificada de la relatividad general que los científicos de hoy en día piensan que no requeriría energía oscura para dar sentido al universo.
El futuro
La energíaoscura es uno de los grandes misterios del universo. Durante décadas, los científicos han teorizado sobre nuestro universo en expansión. Ahora, por primera vez en la historia, tenemos herramientas lo suficientemente poderosas como para poner a prueba estas teorías e investigar realmente la gran pregunta: "¿qué es la energía oscura?"
La NASA desempeña un papel fundamental en la misión Euclid de la ESA (Agencia Espacial Europea) (lanzada en 2023), que realizará un mapa en 3D del universo para ver cómo la materia ha sido separada por la energía oscura a lo largo del tiempo. Este mapa incluirá observaciones de miles de millones de galaxias que se encuentran a una distancia de hasta 10.000 millones de años luz de la Tierra.
El Telescopio Espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para mayo de 2027, está diseñado para investigar la energía oscura, entre muchos otros temas científicos, y también creará un mapa de materia oscura en 3D. La resolución de Roman será tan nítida como la del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, pero con un campo de visión 100 veces mayor, lo que le permitirá capturar imágenes más amplias del universo. Esto permitirá a los científicos mapear cómo se estructura y se extiende la materia por todo el universo y explorar cómo se comporta y ha cambiado la energía oscura con el tiempo. Roman también llevará a cabo un estudio adicional para detectar supernovas de tipo Ia
Además de las misiones y esfuerzos de la NASA, el Observatorio Vera C. Rubin, respaldado por una gran colaboración que incluye a la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., que actualmente está en construcción en Chile, también está preparado para apoyar nuestra creciente comprensión de la energía oscura. Se espera que el observatorio terrestre esté operativo en 2025.
Los esfuerzos combinados de Euclides, Roman y Rubin marcarán el comienzo de una nueva "edad de oro" de la cosmología, en la que los científicos recopilarán información más detallada que nunca sobre los grandes misterios de la energía oscura.
Además, el telescopio espacial James Webb de la NASA (lanzado en 2021), el telescopio espacial más potente y grande del mundo, tiene como objetivo hacer contribuciones a varias áreas de investigación y contribuirá a los estudios de la energía oscura.
La misión SPHEREx (el espectrofotómetro para la historia del universo, la época de la reionización y el explorador de hielos) de la NASA, cuyo lanzamiento está programado para abril de 2025 a más tardar, tiene como objetivo investigar los orígenes del universo. Los científicos esperan que los datos recopilados con SPHEREx, que estudiará todo el cielo en luz infrarroja cercana, incluidas más de 450 millones de galaxias, puedan ayudar a mejorar nuestra comprensión de la energía oscura.
La NASA también apoya un proyecto de ciencia ciudadana llamado Dark Energy Explorers, que permite a cualquier persona en el mundo, incluso a aquellos que no tienen formación científica, ayudar en la búsqueda de respuestas a la energía oscura.
*Un breve apunte*
Por último, para aclarar, la energía oscura no es lo mismo que la materia oscura. Su principal similitud es que aún no sabemos qué son.
