Qué es la energía oscura y por qué constituye uno de los grandes misterios del universo

La aceleración de la expansión del universo no puede explicarse, en el contexto de la relatividad general de Einstein, sin la existencia de una forma de energía desconocida.

El mayor componente del universo en el que vivimos es un enigma.

Y es que los átomos que componen todo lo conocido, los planetas, las estrellas y a nosotros mismos, constituyen sólo el 5% del mismo.

El resto es lo que los científicos llaman energía oscura (la vasta mayoría) y materia oscura.

Los astrónomos tienen ahora un nuevo y potente instrumento para estudiar la primera, el Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por siglas en inglés).

Este permitirá realizar el mapa más detallado del universo tras observar unos 35 millones de galaxias en cinco años.

Pero ¿qué se sabe hasta ahora sobre la energía oscura y cómo logrará el DESI estudiarla?

BBC Mundo habló con uno de los expertos que llevarán a cabo la tarea, el astrónomo argentino Ariel Sánchez, investigador científico del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre con sede en Garching, Alemania.

La predicción inicial era que la expansión del universo que comenzó después del Big Bang se volvería más lenta debido a la gravedad. Pero se está acelerando. ¿Cómo se explica?

La evolución del universo en sus escalas más grandes está controlada por la gravedad.

Actualmente, nuestra mejor descripción de la gravedad está dada por la teoría de la relatividad general de Einstein.

Aplicando las ecuaciones de Einstein al universo como un todo se encuentran soluciones de universos dinámicos, es decir, que se expanden o contraen.

Desde que Edwin Hubble realizó sus observaciones alrededor de 1930, sabemos que nuestro universo está en expansión.

De acuerdo a las ecuaciones de Einstein, la materia contenida en el universo tiende a desacelerar esa expansión.

Esto se debe a que la expansión del universo, que intenta aumentar la distancia entre dos puntos cualquiera en el espacio, debe luchar contra el efecto de la atracción gravitacional de la materia que contiene, que tiende a acercarlos.

A finales del siglo XX los astrónomos intentaron medir esta tasa de desaceleración de la expansión utilizando observaciones de supernovas en galaxias distantes y el resultado fue sorprendente.

La expansión del universo no está disminuyendo su ritmo, se está acelerando. Las distancias a galaxias lejanas aumentan a una tasa cada vez mayor.

¿Y eso indica la presencia de la energía oscura?

Ese resultado cambió drásticamente nuestra comprensión del universo.

En el contexto de la relatividad general de Einstein, esto no es posible si el universo sólo contiene materia.

Eso indica la existencia de una componente adicional, una forma de energía desconocida que posee presión negativa y contrarrestra el efecto atractivo de la gravedad, impulsando la expansión acelerada del universo.

Descifrar la naturaleza de esta componente, que denominamos energía oscura, es uno de los problemas abiertos más importantes de la física actual.

¿Cómo se sabe que la energía oscura constituye gran parte del universo? ¿Y qué porcentaje es?

Uno de los objetivos de la cosmología es realizar un detallado inventario de la energía que contiene el universo, listando todas sus componentes y la fracción del total de energía que cada una representa.

Para lograrlo, utilizamos observaciones astronómicas de la distribución de materia y luz a través del espacio.

Gracias a estas observaciones sabemos que la edad del universo es cercana a los 14.000 millones de años, y que hace aproximadamente unos 4.000 millones de años su expansión comenzó a acelerarse.

Este punto corresponde al momento en la historia del universo en el que la energía oscura comenzó a dominar sobre la materia.

Esto indica que la energía oscura es actualmente el principal componente en este inventario cósmico y que constituye aproximadamente el 70% del total de la energía en el universo.

¿Cómo se diferencia la energía oscura de la materia oscura?

En el inventario, el siguiente componente en importancia es la materia oscura, ya que constituye alrededor del 25% del total de energía del universo.

La materia oscura es una forma de materia que no interactúa con la luz.

Su presencia sólo es detectable por sus efectos gravitacionales en la formación y evolución de estructuras en el universo, tales como galaxias y cúmulos de galaxias.

Hay numerosas evidencias observaciones de la existencia de la materia oscura.

La materia común, hecha de átomos, constituye menos del 5% del total de la energía del universo.

Y otros componentes como los neutrinos o los fotones tienen contribuciones mucho más pequeñas.

¿Qué propiedades tiene la materia oscura, que la hacen diferente de la energía oscura?

Aunque no se conoce exactamente la naturaleza de la materia oscura, las observaciones astronómicas nos permiten tener una buena idea de sus propiedades.

Al igual que la materia común, la materia oscura contribuye a desacelerar la expansión del universo; es decir, el efecto contrario al de la energía oscura.

Otra diferencia importante entre estos componentes es su distribución en el espacio.

La materia oscura exhibe fluctuaciones en su densidad que crecen con el tiempo, con zonas más densas adquiriendo cada vez más materia debido a su atracción gravitatoria.

La energía oscura, en cambio, parece seguir una distribución uniforme, con la misma densidad a través del espacio.

La energía oscura será estudiada con un potente nuevo instrumento, el DESI. ¿Por qué se dice que contiene 5.000 minitelescopios?

El Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura contiene un conjunto de 5.000 fibras ópticas, cada una de las cuales es controlada por un pequeño brazo robótico que las coloca en la posición correcta para recibir la luz de una galaxia.

Está instalado en el telescopio Mayall del observatorio de Kitt Peak en Arizona, en Estados Unidos, y tiene cuatro metros de diámetro.

Su diseño permite cubrir en cada observación un gran campo en el cielo.

Y eso, junto con la posibilidad de observar 5.000 galaxias simultáneamente, lo convierte en una máquina perfecta para construir un gran catálogo en poco tiempo.

Proyectos anteriores han construido catálogos de galaxias similares, pero el DESI llevará estos esfuerzos a un nuevo nivel al observar unas 35 millones de galaxias en cinco años.

¿Cómo logrará el DESI capturar la luz de 5.000 galaxias en forma simultánea, y cómo permitirá esa luz medir sus distancias?

Cuando observamos una galaxia en el cielo no sabemos a qué distancia se encuentra de nosotros. Pero la expansión cósmica nos ayuda a inferirla.

Cuando las ondas de luz se propagan a través del espacio, la expansión del universo las "estira", cambiando su longitud de onda y volviéndola mas roja.

Esto se conoce como "corrimiento al rojo".

Si descomponemos la luz de las galaxias distantes en los colores que las componen, de forma similar a lo que puede hacerse con un prisma, podemos reconocer el efecto del corrimiento al rojo.

Mientras más lejana sea la galaxia, mayor será su corrimiento al rojo. De esta manera, podemos estimar la distancia a las galaxias.

El DESI observará alrededor de 35 millones de galaxias para medir sus corrimientos al rojo.

Junto con sus posiciones en el cielo, estas distancias nos permitirán construir un mapa tridimensional de la distribución de galaxias sobre un enorme volumen del universo

Un detalle importante es que mientras más lejana es una galaxia, más tiempo ha estado viajando su luz hacia nosotros.

Por lo tanto, al observar galaxias a distintas distancias de nosotros, podemos estudiar la evolución del universo a través del tiempo.

¿Cómo ayudará ese mapa a entender qué es la energía oscura?

Los datos del DESI nos permitirán reconstruir con precisión la historia de expansión del universo y la tasa de formación de estructuras a lo largo de un período de 11.000 millones de años.

Estos datos nos permitirán caracterizar las propiedades de la energía oscura con gran precisión.

Todos los datos de los que disponemos en la actualidad son coherentes con el modelo cosmológico estándar, en el cual la energía oscura corresponde a la "energía de vacío".

Esta es una energía de origen cuántico, pequeña pero irreducible, que es una propiedad del espacio mismo incluso en ausencia de materia.

Dicho componente estira continuamente el espacio, impulsando la expansión acelerada del universo.

De todas formas, podemos esperar una caracterización mucho más precisa de la energía oscura una vez que tengamos los datos del DESI, que nos acercarán un poco más a las respuestas a las grandes preguntas abiertas en cosmología.

¿Por qué DESI ayudará a probar la teoría de la gravedad de Einstein?

En el contexto de la relatividad general, la expansión acelerada del universo implica la existencia de la energía oscura.

Alternativamente, esto podría interpretarse como el indicio de un problema en la teoría de Einstein, una evidencia de que no describe correctamente la forma en que la gravedad se comporta en escalas cosmológicas.

La distribución de galaxias en el universo que será observada por el DESI nos permitirá poner a prueba las predicciones de la relatividad general en escalas cosmológicas, mucho mayores que las utilizadas en otras pruebas.

Los datos del DESI nos ayudarán a distinguir entre los dos posibles escenarios para el origen de la expansión acelerada del universo: la existencia de la energía oscura o la necesidad de modificar la relatividad general de Einstein.

¿Cómo decidió dedicarse al estudio de la energía oscura?

Desde mi adolescencia supe que quería dedicarme a la cosmología.

El descubrimiento de la aceleración cósmica tuvo lugar poco después de que empezara mis estudios de grado.

La importancia de este descubrimiento, que fue reconocida con el Premio Nobel de Física de 2011, revolucionó el campo de la cosmología para convertirla en una de las áreas más dinámicas de la física.

Tuve la suerte de comenzar mi carrera a tiempo para ser parte de este desarrollo.

Me considero muy afortunado de poder contribuir con mi trabajo a la tarea de comprender nuestro universo en más detalle.

¿Qué siente cuando piensa en que vivimos en un universo del que solo conocemos el 5%?

Me genera una gran curiosidad. El deseo de conocer nuestro universo y las leyes que lo controlan en más detalle es la principal motivación de mi trabajo y el de muchos de mis colegas.