La naturaleza de la energía oscura es uno de los problemas sin resolver más importantes de toda la ciencia. Pero ¿qué es exactamente la energía oscura y por qué creemos siquiera que existe?
Retrocedamos un minuto y pensemos en una experiencia más familiar: ¿qué ocurre cuando lanzas una pelota verticalmente al aire? Poco a poco se ralentiza a medida que la gravedad tira de ella, hasta que se detiene en el aire y cae de nuevo al suelo. Por supuesto, si lanzaras la pelota con suficiente fuerza (a unas 25.000 millas por hora), escaparía por completo de la Tierra y saldría disparada al espacio, sin volver jamás. Pero incluso en ese caso, la gravedad seguiría atrayendo débilmente la pelota y ralentizando su velocidad mientras escapara de las garras de la Tierra.
Pero ahora imagina algo completamente distinto. Supón que lanzas una pelota al aire y que, en vez de ser atraída de nuevo hacia el suelo, la Tierra la repeliera y la impulsara cada vez más rápido hacia el cielo. Sería un acontecimiento asombroso, ¡pero es exactamente lo que los astrónomos han observado que le sucede al universo entero!
Los científicos saben desde hace casi un siglo que el universo se está expandiendo, y que todas las galaxias se alejan unas de otras. Hasta hace poco, los científicos creían que solo había dos posibilidades para el futuro del universo. Podía expandirse para siempre (como la pelota que lanzaste hacia arriba a 25.000 millas por hora), pero la expansión se ralentizaría a medida que la gravedad atrajera todas las galaxias unas hacia otras. O la gravedad podría acabar imponiéndose y detener la expansión del universo, que finalmente volvería a colapsar en un «gran crujido», igual que tu pelota al caer de nuevo al suelo.
Así que imagina la sorpresa de los científicos cuando dos equipos de astrónomos descubrieron, allá por 1998, que ninguno de estos comportamientos era correcto. Estos astrónomos estaban midiendo la velocidad de expansión del universo cuando era mucho más joven que hoy. Pero ¿cómo podían hacerlo sin construir una máquina del tiempo?
Por suerte, un telescopio es una máquina del tiempo. Cuando miras las estrellas por la noche, no ves cómo son hoy: ves la luz que salió de ellas hace mucho tiempo, a menudo hace muchos cientos de años. Al observar supernovas lejanas, estrellas en explosión de un brillo extraordinario, los astrónomos pueden remontarse cientos de millones de años. Después pueden medir la tasa de expansión de entonces comparando la distancia a esas supernovas remotas con la velocidad a la que se alejan de nosotros. Y al comparar la velocidad de expansión del universo hace cientos de millones de años con la tasa de expansión actual, estos astrónomos descubrieron que la expansión en realidad se está acelerando en vez de ralentizarse, como todos esperaban.
En lugar de juntar las galaxias del universo, la gravedad parece estar separándolas. Pero ¿cómo puede ser repulsiva la gravedad, si nuestra experiencia cotidiana nos muestra que es atractiva? De hecho, la teoría de la gravedad de Einstein predice que la gravedad puede repeler además de atraer, pero solo en circunstancias muy especiales.
La gravedad repulsiva requiere una nueva forma de energía, denominada «energía oscura», con propiedades muy extrañas. A diferencia de la materia ordinaria, la energía oscura tiene una presión negativa , y es esta presión negativa la que hace que la gravedad sea repulsiva. (Para la materia ordinaria, la gravedad siempre es atractiva). La energía oscura parece estar distribuida uniformemente por todo el universo e interactúa con la materia ordinaria únicamente mediante la gravedad, lo que hace casi imposible estudiarla en el laboratorio.
Los científicos solían pensar que la expansión del universo se describía mediante las curvas amarilla, verde o azul. Pero, sorpresa: en realidad es la curva roja.
La forma más sencilla de energía oscura recibe dos nombres: constante cosmológica o energía del vacío. La energía del vacío tiene otra propiedad extraña. Imagina una caja que se expande a medida que lo hace el universo. La cantidad de materia dentro de la caja permanece igual mientras esta se expande, pero su volumen aumenta, así que la densidad de la materia en la caja disminuye. De hecho, la densidad de todo disminuye a medida que el universo se expande. Excepto la de la energía del vacío: su densidad permanece exactamente igual. (Sí, es tan extravagante como parece. Es como estirar una tira de caramelo y descubrir que nunca se vuelve más fina).
Como la energía oscura no se puede aislar ni estudiar en el laboratorio, ¿cómo podemos esperar entender exactamente de qué está hecha? Las distintas teorías sobre la energía oscura predicen pequeñas diferencias en la manera en que cambia con el tiempo la expansión del universo, así que nuestra mejor posibilidad de estudiar la energía oscura parece consistir en medir con una precisión cada vez mayor la aceleración del universo, ampliando aquel primer descubrimiento de hace 17 años. Distintos grupos de científicos están realizando actualmente una amplia variedad de estas mediciones. Por ejemplo, el Dark Energy Survey está cartografiando la distribución de las galaxias en el universo para ayudar a resolver este enigma.
Existe otra posibilidad: quizá los científicos estén buscando en el lugar equivocado. Quizá no haya energía oscura y nuestras mediciones signifiquen en realidad que la teoría de la gravedad de Einstein es errónea y necesita corregirse. Sería una tarea formidable, ya que la teoría de Einstein funciona excepcionalmente bien cuando la ponemos a prueba en el sistema solar. (Seamos sinceros: Einstein sabía muy bien lo que hacía). Hasta ahora, nadie ha propuesto una mejora convincente de la teoría de Einstein que prediga la expansión correcta del universo y, a la vez, concuerde con la teoría de Einstein dentro del sistema solar. Dejaré eso como ejercicio para el lector.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Robert Scherrer es profesor y director del Departamento de Física y Astronomía de Vanderbilt University
Imagen: En esta fotografía facilitada por la NASA el 3 de junio de 2014 se muestra un compuesto de exposiciones separadas, tomadas entre 2003 y 2012 con la Cámara Avanzada para Sondeos y la Cámara de Campo Amplio 3 del Hubble, del universo en evolución. REUTERS/HUDF/NASA/Handout vía Reuters.
