¿Qué es la energía oscura?

Impresión artística del radiotelescopio SKA (Square Kilometre Array). Crédito: SKA Oficina de Desarrollo de Proyectos y Swinburne Astronomy Producciones / Wikimedia, CC BY-SA






Vivimos en tiempos interesantes. Durante miles de años, hemos pensado que sabíamos que todo en el universo estaba hecho de: la materia normal, de esos que conforman los elementos de la tabla periódica.

Sin embargo, el descubrimiento en 1990 que una fuerza completamente desconocida dobló la energía oscura que compone el 70% del cosmos - haciendo que se expanda a un ritmo acelerado. Desde entonces, los astrónomos han comenzado a invertir miles de millones de euros en experimentos que pretenden averiguar este fenómeno misterioso. Lo que descubrirán garantiza cambiar la física para siempre.


¿Qué está ocurriendo ahora?

Desde las cimas de las montañas de Chile y Hawai, varios telescopios se han equipado con nuevas cámaras para a hacer mapas de grandes áreas del cielo. El Kilo Degree Survey, el Dark Energy Survey, y HyperSuprimeCam Survey están mapeando alrededor del 10% del cielo en luz visible.

La idea es ver cómo se agrupan las galaxias y otras estructuras a través del cielo. Una forma de hacer esto es medir "efecto lente", un efecto donde la luz de las galaxias lejanas es distorsionada por la materia en su camino hacia nosotros, lo que revela parte de la materia en el universo. La energía oscura tiene impacto en esto porque detiene la formación de acumulación de materia oscura, la cual empuja a todo. Esto también se puede medir observando los espectros, que separa la luz estelar en sus longitudes de onda constituyentes, muy similar a lo que hace un prisma hace con la luz del sol, desde las galaxias.

Imagen compuesta del cúmulo de galaxias por el Dark Energy Survey. Los puntos brillantes con líneas blancas horizontales son estrellas de nuestra propia galaxia. UCL ciencias físicas y matemáticas / FLICKR, CC BY-SA







Otra técnica de medición se basa en las supernovas de seguimiento, que son destellos brillantes de luz que observamos cuando las estrellas masivas mueren. Debido a que la física de las estrellas está relativamente bien entendida, la cantidad de luz que se emite se puede determinar con mucha precisión. Por lo tanto, midiendo el brillo de las supernovas, sus distancias pueden medirse, ayudándonos rastrear cómo se mueven, como resultado de la expansión del universo.


Los experimentos del futuro


Cada uno de estos experimentos planea tener pronto sus primeros resultados. Sin embargo no son exploradores de energía oscura construidos a propósito. Para obtener los resultados más fiables, los astrónomos han vuelto a la mesa de diseño y han modificado los intrumentos para gran alcance. Ahora los experimentos con cámaras más grandes pueden mapear partes más grandes del cielo.


Uno de ellos es Euclides, un nuevo satélite que está siendo construido por la Agencia Espacial Europea. Debido a que su lanzamiento será en el 2020, en sólo cinco años va a cambiar fundamentalmente nuestra visión del cielo al tomar imágenes de alta resolución, al igual que el telescopio espacial Hubble que hizo un estudio de una parte del cielo. Euclides utilizará tanto el efecto lente y enfoques de agrupamiento de galaxias para trazar un mapa de la mitad del cielo.

Allá en Chile, el Gran Telescopio de 8 metros para Rastreos Sinópticos (LSST) está en construcción. También pretende observar la mitad del cielo, pero desde tierra. En comparación con Euclides, que hará una sola imagen de muy alta resolución del cielo, LSST tomará imágenes de menor resolución (enmascaradas por la atmósfera). Sin embargo, su aspecto único es que va a crear una película del cielo tomando cientos de fotos durante más de una década, por lo que es una poderosa herramienta para la detección de supernovas.

Mientras tanto, el Square Kilometer Array (SKA) observará el cielo en longitudes de onda de radio a través de una red de antenas de radio, que se puede transmitir a cientos de kilómetros de distancia. El SKA tendrá una red de radiotelescopios juntos desde el Sahara hasta Sudáfrica, y en Australia, como fuera un único telescopio del tamaño de un continente.

En 2010, Estados Unidos usó una estrategia para la astronomía durante una década y es que propuso combinar un experimento de la energía oscura y un telescopio de exoplanetas en uno solo. El concepto que nació fue llamado WFIRST - un escaneo de telescopio espacial de ondas de infrarrojo cercano. En 2012 la Oficina de Reconocimiento Nacional de Estados Unidos ofreció donar dos "satélites espías", no utilizados del mismo tamaño que el telescopio espacial Hubble, pero con un campo de visión más amplio. Uno de estos satélites ahora forma el centro del experimentos y se espera ponerlo en marcha a mediados de la década de 2020.

Si bien cada uno de estos telescopios trabajarán de forma aislada, los cosmólogos se están dando cuenta de que van a lograr más mediante la combinación de la información de todos ellos. Debido a que son de efectos muy diferentes y existen problemáticas tales como las causadas por defectos de los instrumentos que se pueden eliminar mediante la comparación de los resultados. De hecho, estamos creando un solo súpertelescopio para la humanidad.



¿Qué podrían encontrar?


A pesar de que todavía no sabemos lo que es la energía oscura, hay tres hipótesis principales para ello:


Energía del vacío. Algunos creen que la energía oscura es simplemente un mar constante de energía con algún valor particular que llena el espacio. Pero si este es el caso, ¿por qué tiene ese valor particular que observamos en lugar de otra cosa? Después de todo si fuera sólo un poco más alta que el universo se notaría mucha diferencia. Al no encontrar una "explicación natural" de por qué el universo está tan afinado para que haya vida inteligente, algunos cosmólogos recurren al Principio Antrópico, que establece que el universo tiene esta energía, porque si no fuera así, no estaríamos aquí para hablar de ello. 
Pero tal vez es sólo uno de un multiverso de universos paralelos donde la energía de vacío puede ser diferente en cada uno?


La energía oscura es como una máquina anti-gravedad. Funciona para empujar al universo aparte. Al ajustar la teoría de la gravedad de Einstein, o mediante la creación de nuevas teorías de la gravedad, los cosmólogos han descubierto que la energía oscura podría indicar que nuestra comprensión de la gravedad está mal. La gravedad atrae, pero tal vez es repulsiva en escalas cósmicas.


Un nuevo campo de Higgs. Los cosmólogos estaban muy contentos cuando se descubrió el bosón de Higgs, en parte porque es una manifestación de un "campo de Higgs" - el primer "campo escalar" fundamental observado en la naturaleza. Un campo escalar es el que tiene un valor en cada punto del espacio-tiempo, pero sin dirección. Un ejemplo cotidiano podría ser un mapa de 
presión en la predicción del tiempo (valores de todo el mundo, pero sin dirección). Un mapa del viento, por otra parte, no es un campo escalar, ya que tiene la velocidad y la dirección general.

Aparte de Higgs, todas las partículas en la naturaleza se asocian con "campos cuánticos" que son como la analogía de los mapas eólicos. Se ha teorizado que, al igual que Higgs, la energía oscura podría ser otro ejemplo de un campo escalar. Por supuesto, todas estas explicaciones puede estar equivocadas y la energía oscura podría ser algo aún más extraño. Pero gracias a los esfuerzos que se pondrán en la próxima década, parece que estamos cerca de descubrirlo.