¿Qué es la energía oscura?

Rob Knop, Profesor de Ciencias Físicas de la Universidad Quest de Canadá.

Transcripción y traducción del Podcast 365 days of Astronomy.

Recientemente he hablado sobre el tema que mereció el Premio Nobel de este año, la aceleración en la expansión de universo. Cabría preguntarse por qué no puedo evitar hablar sobre este Premio Nobel, y la verdad es que simplemente creo que es genial. No es sólo porque el Premio Nobel se haya dado a un trabajo de astronomía y en particular de cosmología, sino también porque se trata de una investigación de la que yo era una parte importante cuando se hizo el descubrimiento.

El universo se está acelerando. Hoy, quiero hablar de lo poco que sabemos acerca de por qué el universo se está acelerando. En primer lugar, ¿por qué es sorprendente? El universo está lleno de cosas. En lo que respecta a la gravedad, normalmente pensamos que las cosas se atraen entre sí. Si el universo se está expandiendo, esas cosas se separan; la acción de la gravedad, por tanto, sería frenar la expansión, dado que la fuerza de gravedad intentara juntar a todas las cosas. Pero, cuando intentamos medir la historia de la expansión del universo, descubrimos que en realidad la expansión se está acelerando. Para explicar esto, decimos que el universo está lleno de una sustancia misteriosa llamada "energía oscura", una sustancia que tiene un efecto gravitacional negativo. Es decir, su gravedad empuja las cosas a separarse en lugar atraerlas.

¿Qué es exactamente la energía oscura? La verdad es que no lo sabemos. Es el nombre que le damos a nuestra ignorancia. Eso no quiere decir que no tengamos ideas acerca de lo que puede ser. De hecho, una idea es que la energía oscura no es algo real sino más bien un indicador de que nuestras teorías sobre la gravedad se vienen abajo cuando se consideran grandes escalas. De esta manera, podría ser análogo al éter luminífero de comienzos del siglo XX, el medio hipotético con respecto al cual se movía la luz. De hecho, el éter no era algo real en absoluto; se postuló como indicador de que nuestras teorías ya no eran adecuadas para explicar la realidad al nivel que éramos capaces de medirla. Finalmente fue reemplazado por la teoría de la Relatividad Especial, la teoría que se extendía desde la teoría de Newton a las teorías de la mecánica que funcionan a una velocidad mucho menor que la velocidad de la luz. Es posible que la energía oscura sea lo mismo, una indicación de que nuestra teoría de la gravedad de la Relatividad General no funciona muy bien a escala universal.

Sin embargo, para el resto del artículo, voy a asumir que la Relatividad General -una teoría muy bien probada que sabemos predice las cosas sobre una amplia gama de escalas espaciales- es una teoría correcta y que se aplica incluso al universo como un todo. Si es así, necesitaremos algunas cosas, como la energía oscura, para explicar la aceleración observada de expansión del universo.

Podemos añadir un poco más, sin embargo. No es que digamos simplemente, "bueno, el universo se está expandiendo, así qué existe la energía oscura" Para que el universo se expanda según lo descrito por la Relatividad General, la energía oscura tiene que tener algunas propiedades particulares. Sin embargo para entender lo que son estas propiedades, tenemos que hablar de gravedad.

En una visión tradicional newtoniana, la masa provoca gravedad. La Tierra orbita al Sol. Debido a la gran masa del Sol éste ejerce una fuerza gravitacional sobre la Tierra que la mantiene en órbita. Se podría decir, según la teoría de Newton, que la masa es el origen de la gravedad. Sin embargo, nuestra teoría moderna de la gravedad -que da las mismas respuestas que la teoría de Newton para cosas como satélites orbitando la Tierra o la Tierra orbitando el Sol- se llama Relatividad General. Para comprender el origen de la gravedad de la Relatividad General, tenemos que volver a una de las ecuaciones fundamentales de la relatividad y de hecho una de las ecuaciones más famosas: E=mc².

¿Qué significa E=mc²? A la izquierda, E significa energía. A la derecha, m representa la masa, y c la velocidad de la luz. Lo que está diciendo esta ecuación es que la masa es sólo una forma de energía; la ecuación es el factor de conversión que permite calcular la cantidad de energía, en unidades de energía como julios o calorías o kilovatios-hora, que hay en una cierta cantidad de masa (masa en unidades de masa como gramos o kilogramos). Masa y energía son, en cierto sentido, lo mismo. Bueno, no del todo, porque hay formas de energía distintas a la masa, pero la masa es sólo una forma de energía. Dado que la velocidad de la luz es un número enorme, en la vida cotidiana, mc² va a ser mucho, mucho más grande que cualquier otra forma de energía con la que tratemos. Por ejemplo, si un coche va a 100 km/h, la cantidad de energía en su movimiento -su energía cinética- es cien billones de veces más pequeña que mc², la cantidad de energía en la masa del coche.

En la Relatividad General, la masa no es el origen de la gravedad, sino de la energía. De hecho, mientras que en la gravedad de Newton a menudo se trata con un montón de masas individuales y se suman los efectos de todas esas masas para averiguar la fuerza gravitacional, en la Relatividad General tenemos que considerar la densidad de energía en un punto en el espacio y en todos los puntos cercanos, para calcular cual será la gravedad. Recordemos que mientras las cosas no se mueven a velocidades cercanas a la de luz, la gran mayoría de la energía total de algo es su energía de masa, lo que significa que muchas veces, la diferencia entre la densidad de energía y la densidad de energía sólo de masa, es insignificante. Por lo tanto, es justo decir que casi siempre, la fuente de la gravedad en Relatividad General es de hecho sólo densidad de masa, al igual que en gravedad tradicional.

Sin embargo, no tiene por qué ser así. Resulta que en el universo muy temprano (antes de que tuviera 100 mil años), la densidad de energía de la radiación, la luz, era superior a la densidad de energía de la materia. Como usted probablemente sabe, el fotón, la partícula de luz, tiene masa cero. Esto significa que en el universo temprano, la gravedad estaba dominada por la densidad de las cosas que tenían masa cero, pero no tenían energía cero. (¿Qué sucedió con toda la densidad de energía de esa luz? Se perdió en el desvío al rojo. A medida que el universo se expande, también lo hacen las longitudes de onda de los fotones. Cada fotón pierde energía, hasta el punto que hoy en día, la densidad de energía en fotones es insignificante en comparación con la densidad de energía en la materia normal).

Para describir el origen de la gravedad en la Relatividad General, no podemos hablar simplemente de masa, sino que tenemos que hablar de energía en general. Si consideramos un fluido que puede encontrarse en el espacio, podemos parametrizar su densidad de energía de dos maneras. En primer lugar, está sólo su densidad de energía, la cantidad de energía hay ahí y en segundo lugar, está la presión.

Pero ¿De dónde viene esta presión? Puede que usted sepa lo que es presión si nos referimos a la presión de aire. Por ejemplo tratar de apretar un globo de goma inflado. ¿De dónde viene esta presión a nivel microscópico? Se trata de los movimientos de las moléculas. Cuando se intenta comprimir el globo, este resiste. La razón por la que resiste es que todas las moléculas de aire que hay dentro del globo rebotan contra las paredes del globo, tratando de empujarla hacia afuera. Así, la presión está relacionada con los movimientos de las moléculas. Y porque hay energía -energía cinética- en movimiento, la presión representa la densidad de energía como resultado de ese movimiento.

Es importante recordar esto. No estamos hablando de presión como algo que está ejerciendo una fuerza propia. Sí, lo hace, la presión de aire mantiene el globo, y la presión del agua puede aplastarle si desciende demasiado profundo bajo el agua. Pero, en cuanto a la gravedad, esto no es importante. Lo importante es que la presión es un sustituto de la energía que hay en el movimiento de las moléculas o las partículas de un fluido.

Consideremos la materia normal. La materia normal, en forma de galaxias, normalmente se desplaza a una velocidad mucho menor que la velocidad de la luz. Por esa razón, su presión es insignificante en comparación con su densidad de energía, donde su energía es principalmente en su masa según E=mc². Le sorprenderá saber que los cosmólogos describirían al aire como "presión cero". Lo que realmente indican con eso es que la densidad de energía en el movimiento de moléculas de aire, representado por su presión, es mucho menor que la densidad de energía del aire. Por lo tanto, la materia normal tiene presión cero.

En la Relatividad General, aplicada a la expansión del universo, el origen de la gravedad es la densidad de energía, más tres veces la presión. Recordemos una vez más que la presión aquí no es nada que empuja, como normalmente se suele considerar la presión, sino que la presión es una forma de representar esa parte de la densidad de energía que tiene que ver con los movimientos de partículas. Para la materia normal, la presión efectiva es cero, como ya he descrito. Para la radiación -cosas como la luz, es decir, fotones- la presión es un tercio de la densidad de energía. Para la radiación, el origen de la gravedad es superior para una determinada cantidad de densidad de energía de lo que es para la masa únicamente, como he dicho antes.

Analicemos esto. Si el origen de la gravedad es la densidad de energía más tres veces la presión, entonces si tenemos una presión negativa, y es lo suficientemente negativa, entonces tendremos algo que proporciona gravedad negativa. Así es como se define la energía oscura. Es algo cuya presión es igual a menos un tercio negativo su densidad de energía.

¿Qué significa presión negativa? Es más bien una tensión. Si se intenta apretar un globo de goma, la presión empuja contra usted. Si se intenta estirar una goma elástica, su tensión intenta volver atrás sobre sí misma. Seguramente estará pensando que la presión negativa hizo que el universo se expandiera más rápido. Así es. Una vez más, no caiga en la trampa de pensar que es la presión misma la que empuja esta expansión. Por el contrario, es la gravedad resultante de esta presión quien lo hace. El hecho de que estemos hablando acerca de presión quizás es un poco engañoso; Estamos hablando de cómo la dinámica de la materia se relaciona con la densidad de energía de esa materia. Y, pensando en esos términos, tengo que admitir que me cuesta mucho formarme una imagen del verdadero significado de "presión negativa".

Así que ¿Qué puede tener presión negativa? El ejemplo más evidente es la energía del vacío. Partiendo de una región del espacio. Sacar todo de esa región del espacio; sacar todos los átomos, todos los fotones, todos los neutrinos, toda la materia oscura, por lo que no hay nada a la izquierda. Cuando queda nada, como resultado de la mecánica cuántica, todavía puede haber cierta densidad de energía residual. Esta densidad de energía es la energía del vacío; la energía que está presente sólo en el propio espacio. Esta densidad de energía de vacío tiene presión negativa; de hecho, resulta que la presión de la energía del vacío es igual a una vez negativa la densidad de energía. Si ponemos eso en la ecuación para el origen de la gravedad, que está relacionada con la densidad de energía más tres veces la presión, obtendremos una fuente de gravedad igual a dos veces negativas la densidad de energía de vacío. Por lo tanto, la energía del vacío es una posibilidad para la energía oscura; de hecho, muchas personas piensan que es la posibilidad más probable.

Puede que haya oído hablar de la constante cosmológica de Einstein. Einstein creyó que podría introducir este término en sus ecuaciones de la Relatividad General sin modificar la teoría. Introdujo esta constante porque se dio cuenta que cuando se aplica la teoría al universo como un todo, éste o bien se está expandiendo o bien se está contrayendo. En aquel momento, todo el mundo creía que el universo era estático. Einstein introdujo la constante cosmológica, que tuvo un efecto gravitacional negativo, a fin de equilibrar la atracción de toda la masa y lograr un equilibrio frágil que condujo a un universo inestable, pero estático. Poco después, cuando descubrimos que de hecho el universo se está expandiendo, Einstein descartó la constante cosmológica, refiriéndose a su inclusión como intento de hacer que su teoría predijera un universo estático como su error más grande. Después de todo, si no hubiera hecho eso, podía haber predicho la expansión del universo antes de que se observara, pudiendo haber sido famoso por ello.

La constante cosmológica, que resulta, está directamente relacionada con la densidad de energía del vacío. De hecho, los términos constante cosmológica y densidad de energía de vacío son efectivamente intercambiables. Así, se podría decir que la constante cosmológica es una posibilidad para la energía oscura; es sólo que tiene exactamente la misma posibilidad de serlo que la energía del vacío.

Hay muchas otras posibilidades para la energía oscura; todas ellas tienen una presión negativa, pero no exactamente igual a la de la densidad de energía de cualquier materia. Tratamos de establecer los límites de lo qué podría ser la energía oscura, hacemos experimentos que son sensibles a la proporción entre la presión y la densidad de energía de la energía oscura. Esto afectará a la historia de expansión del universo, así como algunas otras cosas. Utilizamos la letra w para esta relación; w es la presión de la energía oscura, dividida por la densidad de energía de la energía oscura. Si w=-1, entonces la energía oscura es sólo energía de vacío.

Ahora mismo, los mejores límites hallados para w nos dicen que es tiene un valor aproximado de -1, con una incertidumbre menor de ±0.1. Sería una gran noticia si pudiéramos averiguar que w es distinto de -1, incluso sólo un poco, porque eso significaría que la energía oscura no puede ser la energía del vacío. Hasta ahora, sin embargo, a medida que hemos ido disminuyendo los márgenes de error en w, el valor ha permanecido consistente con -1. No podemos probar que es exactamente -1, sólo podemos mejorar esos márgenes de error. Mientras la situación se mantenga como ahora, podremos decir que nuestras mediciones son consistentes con que la energía oscura es la energía del vacío, pero no podremos descartar todo lo demás.

Hay otras razones para creer que la energía del vacío es real. Una es la teoría cuántica de campos. Esta teoría predice que debería haber una cierta cantidad de energía residual en el  "punto cero", o nivel de vacío, de todos los diversos campos cuánticos que existen. Para cada partícula -fotón, electrón, neutrino- hay un campo cuántico correspondiente. El resultado de estos campos de vacío cuántico se han medido en el efecto Casimir. Dos planchas de metal puestas una al lado de la otra en el vacío experimentan una fuerza entre sí como resultado de que algunas longitudes de onda específicas de los campos cuánticos están excluidas por la pequeña distancia entre las dos placas.

Sin embargo hay un problema con nuestra comprensión teórica de estos campos cuánticos. Un cálculo de la teoría cuántica de campos un tanto “naive” del valor que debe tener la densidad de energía de vacío, da un número que es 120 órdenes de magnitud más grande que lo que medimos a partir de la expansión del universo.  Si la energía del vacío fuera realmente tan grande, el universo hubiera crecido exponencialmente, tan rápido que las galaxias nunca hubieran tenido tiempo de formarse. Este factor de diez elevado a 120 a menudo se considera una de las peores predicciones teóricas de la física. Por lo tanto, lo que nos queda es la idea de que la energía del vacío podría ser real según la teoría cuántica de campos, pero con la situación incómoda de que su valor medido es enormemente distinto de lo que predice nuestra actual teoría.

¿Es la energía oscura energía de vacío? Tal vez. Probablemente. Pero podría ser algo más. En cualquier caso es más seguro decir que no entendemos completamente la energía oscura, y de hecho nuestra comprensión es lo suficientemente débil como para que la energía oscura no sea algo real en absoluto, pero puede ser un indicador del colapso de nuestras teorías cuando son aplicadas a escalas de tamaño universal. Sin embargo, la energía oscura puede ser algo real y puede ser energía de vacío, o puede ser algo más exótico. Los cosmólogos están tratando de saber más sobre la energía oscura midiendo w, esta relación entre la presión y la densidad de energía, es el primer parámetro además de su densidad que podemos intentar medir. Esperemos que en los próximos 10-20 años, descubramos algo sobre w y quizás también sobre cuánto ha cambiado w, si es que ha realmente cambiado, a lo largo de la historia del universo.

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