Revista Digital Universitaria
ISSN: 1607 - 6079 Publicación mensual
 
1 de abril de 2012 Vol.13, No.4
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El Cosmos: energía oscura y materia oscura
Axel de la Macorra y Jorge L. Cervantes Cota
CITA
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Historia del universo
Edad del universo
¿Que son la materia y energía Oscura?
¿Burbujas cósmicas?
Conclusiones
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Introducción


La visión de nuestro universo ha ido cambiado conforme las ideas religiosas o filosóficas y las observaciones cosmológicas han ido evolucionando. La perspectiva del universo ha sufrido grandes cambios a lo largo de nuestra historia. Tan sólo hace doce años no sabíamos de la existencia de la Energía Oscura, que conforma al  74% de la energía de nuestro universo, ni que éste crece a pasos cada vez mayores. Hace cien años, nuestra imagen del universo era aún más incompleta y menos exacta.  Los científicos en esa época creían que nuestra galaxia, La Vía Láctea, era todo el universo. Era como una isla, un gran conjunto de estrellas, inmersa dentro un espacio vacío e infinito. Se creía que el universo era eterno y estático. La idea de un universo en expansión era impensable. Hoy en día sabemos, gracias a poderosos telescopios,  que nuestra galaxia es una más de las 400 mil millones de galaxias dentro de nuestro universo observable y cada galaxia cuenta con aproximadamente 100 mil millones de estrellas. Un número nada despreciable. 

La concepción del cosmos ha ido evolucionando a través de los siglos y través de los pueblos. En la historia occidental, con  Aristóteles, y más tarde con Claudio Ptolomeo se creía que la Tierra era el centro del universo y que alrededor de ella se movían los planetas y estrellas, situados en cascarones esféricos, y más al fondo existían las estrellas lejanas fijas.  Fue Nicolás Copérnico, hace cinco siglos, quien formuló que la Tierra no es el centro de nuestro sistema solar, sino el Sol.  Con Copérnico se inicia la astronomía moderna, y fue pieza clave para el renacimiento científico, que estaba en ciernes en esa época.  Poco después, Galileo Galilei, hace exactamente cuatrocientos años, construyó y observó por primera vez el firmamento a través de un telescopio, iniciando la época moderna de la astronomía. Sus primeras observaciones fueron los cuatro satélites más grandes de Júpiter, las llamadas lunas de Galileo – Ío, Europa, Ganímedes y Calisto – así como las montañas y valles de nuestra luna. Precisamente, han sido los nuevos telescopios y satélites equipados con instrumentos sensibles de alta tecnología que nos han dado una visión totalmente diferente de nuestro universo, no sólo desde de la visión de hace cien años sino inclusive a revolucionado nuestro entendimiento del universo en la última década. La cosmología moderna está basada en la famosa teoría de la Relatividad General (RG), formulada en 1915 por el físico más conocido del siglo XX, Albert Einstein, y es el pilar teórico para entender a nuestro universo. Esta teoría predice una interconexión estrecha entre la geometría del espacio y la materia-energía que éste contiene.  La materia y la energía son originalmente dos conceptos diferentes,  pero  de acuerdo a la teoría de Relatividad Especial, también de Einstein, son convertibles el uno al otro, y esto se desprende de la famosa fórmula E= mc2.  
 
La teoría de la RG predice que la materia-energía deforman al espacio-tiempo y la curvatura de éste puede ser determinada  ya sea por métodos geométricos o midiendo  la cantidad total del contenido de materia-energía en el universo. Esta interrelación entre materia-energía y geometría es esencial en la descripción de nuestro universo. Cuando Einstein formuló la teoría de RG se creía que la gran estructura del cosmos estaba en reposo. Un universo estático de principio a fin.  Einstein entonces intentó encontrar soluciones acordes con su nueva teoría, pero sólo encontraba modelos del universo en expansión. Las deseadas soluciones estáticas no se encontraron en la formulación original de la teoría, sino sólo si agregaba un elemento nuevo, permitido matemáticamente, pero no contemplado inicialmente: la constante cosmológica (CC). La CC permite varios tipos de soluciones a la RG, y entre ellas está la de un universo estático.  La teoría así modificada, daba la explicación deseada de estaticidad.  Sin embargo, pocos años más tarde, en los años 1920s, Edwin Hubble determinó que el universo estaba en expansión, mediante  observaciones de dinámica galáctica. Esto le daba soporte a la formulación original de RG. Einstein después afirmó que la CC había sido el error más grande de su vida. Pero veremos que a la postre Einstein estaba en lo correcto al introducir la CC, y ese “error” marcaría el advenimiento de una nueva física, que nos haría entender la evolución dinámica del universo presente. Sin embargo, la nueva CC postulada hoy en día tiene efectos notablemente diferentes a la idea original de Einstein, como veremos más adelante. A este nueva constante cosmológica que domina hoy en día al universo la llamamos Energía Oscura.

Hubble midió las distancias y velocidades de galaxias cercanas y determinó que entre más lejos estaban mayor era su velocidad, y todas alejándose de nosotros. Si la distancia de una galaxia era el doble, entonces su velocidad de separación también. Esta velocidad se determina fácilmente midiendo el espectro de la luz de las galaxias, que no es más que el arco iris celeste, y Hubble observó que la luz tiene un desplazamiento hacia el rojo, indicando perdida de energía, por lo que concluyó que estos objetos se alejan de nosotros. Este descubrimiento dio lugar al modelo de la Gran Explosión de nuestro universo. Todos los objetos se alejan de todos y nuestra posición no es ninguna particular dentro del universo. El aumento en la distancia entre los objetos no es debido al movimiento relativo sino al crecimiento del espacio entre ellos. Análogamente, si pintamos unos puntos en un globo y lo inflamos. Los puntos están fijos en el globo pero al inflarlo todos se separan. La expansión del universo no está en duda y dado que la fuerza de gravedad es atractiva la velocidad de expansión debería ser cada vez menor. La desaceleración quedaría determinada por la cantidad de materia en el universo. Entre mayor cantidad de masa, mayor fuerza de gravedad y mayor la desaceleración.  Diez años atrás, el dilema que teníamos los cosmólogos era si la cantidad de masa en el universo era la suficiente para detener su crecimiento y para hacerlo recolapsar hasta llegar al Gran Colapso (Big Crunch) o si por el contario, el universo crecería para siempre. Sin embargo,  uno de los resultados más sorprendentes en la última década ha sido la observación de que nuestro universo no sólo está creciendo sino que lo hace de una forma acelerada. Esto se determinó en 1998 gracias a las mediciones de supernovas Ia -que son grandes explosiones de estrellas-, realizadas simultáneamente por  los grupos Supernova Cosmology Project (SCP) y por High-Z Supernova Search Team (HZT). Con las supernovas se pudieron determinar distancias y velocidades de objetos muy lejanos y esto permitió concluir que el universo se acelera desde hace relativamente poco tiempo. Este extraño comportamiento implica que debe haber algo muy diferente en el universo que lo domina y tiene una gran fuerza de repulsión antigravitacional.  A este misterioso “algo”  le hemos llamado energía oscura (EO).  Energía porque es un ente no localizado en una región limitada del espacio -como sí lo hace la materia-, sino que está distribuida en todo el universo y constituye el 74%  del total de la materia-energía del universo. Es oscura porque no la podemos ver, no emite luz, y esto nos obliga a inferir sus propiedades de forma indirecta, pero certera. La EO bien podría  ser simplemente la famosa CC que Einstein había especulado “erróneamente” hace 90 años, pero  sus consecuencias serían totalmente diferentes, no dejaría a un universo estático sino por el contrario le generaría un crecimiento acelerado.

Pero, si la EO es tanto más cuantiosa que el resto de la materia-energía en el universo, ¿por qué no la habíamos percibido con anterioridad a 1998? ¿Por qué no la sentimos en la Tierra? La razón es que la EO, contrario a la materia ordinaria no forma grumos, no hay planetas ni asteroides de EO, y esto la hace mucho más difícil de ser observada.  Aunque la EO representa un porcentaje muy alto de la energía del universo su densidad, ya sea que la midamos en el espacio sideral o en nuestras propias casas, es sumamente pequeña. Si, por ejemplo, la Tierra estuviera constituida en su totalidad por energía oscura, ésta pesaría menos que una pluma de canario (menos que una centésima de gramo).  Por lo tanto la EO sólo se puede observar a distancias y volúmenes muy grandes. A pesar de que la EO no tiene grandes consecuencias dentro de nuestro sistema solar, y mucho menos en la Tierra, su efecto total genera la fuerza más intensa en el cosmos: genera espacio nuevo entre las estrellas, galaxias y cúmulos, alejándolos aceleradamente los unos de los otros.  

Otra de las grandes incógnitas que ha surgido debido a la EO, es el porqué se manifiesta ahora; es decir, en tiempos cercanos, y no en el universo temprano ¿Es acaso una coincidencia? Si lo comparamos con otros sucesos importantes en la cosmología, como la formación de las primeras estrellas, átomos o núcleos atómicos, que se generaron cuando el universo tenía un tamaño de veinte, mil y 10 mil millones de veces más chico, respectivamente, la EO sólo se manifestó cuando éste tenía la mitad del tamaño actual. Parecería que vivimos en una época privilegiada y esto va en contra de nuestro principio cosmológico, a menos de que encontremos una explicación satisfactoria. De hecho si la EO oscura hubiera aparecido antes de la formación de las primeras estrellas, éstas no se hubieran podido formar nunca. Y por ende, ¡no estaríamos leyendo este texto! Nuestro planeta y sistema solar se formaron de polvo de estrellas que nacieron, vivieron y explotaron previamente en este mismo lugar del espacio. Estas estrellas generaron en su interior toda la gama de elementos pesados de la Tabla Periódica, como oxigeno, nitrógeno y carbono, y por supuesto a los átomos de nuestros cuerpos. Entonces nosotros somos estrellas, polvo de estrellas.

 
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