A veces, las estrellas se desprenden de los cúmulos globulares mientras orbitan alrededor de una galaxia masiva. Los investigadores han identificado varios casos en nuestra Vía Láctea y también han detectado huecos entre estos filamentos en bucle. ¿Cuál es la causa? Una posibilidad: una sustancia conocida como materia oscura. Tras el lanzamiento del Telescopio Espacial Romano Nancy Grace, los astrónomos utilizarán sus amplias imágenes de alta definición para detectar por primera vez muchas más corrientes de marea -y, potencialmente, los huecos que las acompañan- en galaxias cercanas. Una de las principales candidatas es nuestra vecina, la galaxia de Andrómeda, que aparece en la ilustración superior. Pronto, los investigadores no sólo podrán identificar las corrientes de marea en Andrómeda, sino que también podrán utilizar la fina resolución de Roman para precisar más propiedades de esta misteriosa sustancia. Crédito de la imagen: NASA
Nueve mil millones de años después del inicio del universo, su expansión comenzó a acelerarse, impulsada por una fuerza desconocida que los científicos han llamado energía oscura.
Hace aproximadamente 13.800 millones de años, el universo comenzó a experimentar una acelerada expansión que denominamos Big Bang. Tras esta expansión inicial, que sólo duró una fracción de segundo, la gravedad empezó a ralentizar el universo. Pero el cosmos no se quedaría así. Nueve mil millones de años después del inicio del universo, su expansión comenzó a acelerarse, impulsada por una fuerza desconocida que los científicos han llamado energía oscura.
Un poco de historia.
Hasta finales de la década de 1990, no se descubrió la energía oscura. Sin embargo, sus antecedentes en la investigación científica se remontan a 1912, cuando la astrónoma estadounidense Henrietta Swan Leavitt hizo un descubrimiento significativo utilizando las variables Cefeidas, una categoría de estrellas cuyo brillo cambia con una regularidad que varía en función del brillo de la estrella.
Una variable cefeida es una estrella que pulsa radialmente y cambia tanto en temperatura como en diámetro para producir cambios de brillo con un periodo y amplitud muy regulares.
Las Cefeidas tienen un estatus como indicadores de distancia importantes para establecer escalas de distancia galácticas y extragalácticas debido a una fuerte relación directa entre su luminosidad y periodo pulsar.
La primera estrella de este tipo identificada por John Goodricke en 1784, Delta Cephei en la constelación Cepheus, es donde se originó el término Cefeida. Sin embargo, la astrónoma estadounidense Henrietta Swan Leavitt los estudió en profundidad.
Todas las estrellas Cefeidas con un determinado periodo (el periodo es el tiempo que tarda la estrella en pasar de brillante a tenue y luego a brillante nuevamente) tienen la misma magnitud absoluta, o luminosidad, que es la cantidad de luz que emiten. Leavitt analizó estas estrellas y demostró que existe una correlación entre su luminosidad y su periodo regular de brillo. Los hallazgos de Leavitt permitieron a los astrónomos medir la distancia entre nosotros y las estrellas Cefeidas de galaxias lejanas, así como de nuestra propia Vía Láctea, utilizando el periodo y la luminosidad de una estrella.
Al mismo tiempo, el astrónomo Vesto Slipher observó galaxias espirales utilizando el espectrógrafo de su telescopio, un dispositivo que divide la luz en los colores que la componen, del mismo modo que un prisma divide la luz y la convierte en un arco iris.
Slipher observó las diversas longitudes de onda de la luz procedente de las galaxias utilizando el espectrógrafo, un invento relativamente nuevo en ese momento. Con sus observaciones, Slipher fue el primer astrónomo que observó la velocidad a la que las galaxias se alejaban de nosotros (un fenómeno denominado desplazamiento al rojo) en galaxias lejanas. Estas observaciones serían fundamentales para muchos avances científicos futuros, como el descubrimiento de la energía oscura.
El término «desplazamiento al rojo» se usa cuando los objetos astronómicos se alejan de nosotros y la luz que proviene de ellos se expande. La luz se comporta como una onda, y la luz roja tiene la mayor longitud de onda. Como resultado, la luz que proviene de objetos distantes tiene una mayor longitud de onda y se extiende hasta el «extremo rojo» del espectro electromagnético.
El descubrimiento de un universo en expansión.
El descubrimiento del corrimiento al rojo galáctico, el conocimiento de la relación periodo-luminosidad de las variables Cefeidas y la nueva capacidad de medir la distancia de las estrellas o galaxias fueron factores que contribuyeron a que los astrónomos observaran que, con el paso del tiempo, las galaxias se alejaban de nosotros, lo que demostraba cómo el universo se estaba expandiendo. En los años posteriores, varios investigadores de todo el mundo comenzaron a unir las ideas de un universo cada vez más grande.
En el año 1922, Alexander Friedmann, un científico y matemático ruso, escribió un artículo en el que detallaba una explicación de la historia del universo. El artículo científico publicado en 1917, se basaba en la teoría de la relatividad general de Albert Einstein e incluía la hipótesis de que el universo estaba en expansión.
En 1927, Georges Lemaître, un astrónomo belga que se dice que desconocía el trabajo de Friedmann, escribió un artículo basado en la teoría de la relatividad general de Einstein. Lemaître demostró cómo las ecuaciones de la teoría de Einstein respaldan la idea de que el universo no es estático, sino que está en expansión.
En 1929, el astrónomo Edwin Hubble, utilizando información de su colega Milton Humason, confirmó que el universo estaba en expansión. Humason registró el movimiento hacia el rojo de las galaxias espirales. Luego, Hubble y Humason estudiaron las estrellas Cefeidas de esas galaxias para determinar a qué distancia se encontraban sus galaxias (o, como ellos las llamaban, nebulosas). Compararon las distancias de estas galaxias con su desplazamiento al rojo y descubrieron que cuanto más lejos está un objeto, más se aleja de nosotros y mayor es su desplazamiento al rojo.
La pareja de astrónomos descubrió que objetos como las galaxias se alejan de la Tierra con mayor velocidad, lo que se conoce como la Ley de Hubble o la Ley de Hubble-Lemaître. Según ellos, el universo efectivamente se está expandiendo.
La expansión del universo se está acelerando, según las Supernovas.
Hasta ese momento, los científicos creían que, debido a la gravedad, el universo se expandiría lentamente. Esta hipótesis estaba respaldada por la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero en 1998, todo cambió cuando dos equipos de astrónomos diferentes que observaban supernovas lejanas se dieron cuenta de que (a un desplazamiento al rojo determinado) las explosiones estelares eran más débiles de lo esperado. Los astrónomos Adam Riess, Saul Perlmutter y Brian Schmidt lideraron estos grupos. Por su trabajo, este trío recibió el Premio Nobel de Física 2011.
Aunque las supernovas débiles podrían no parecer un hallazgo importante, estos astrónomos estaban observando supernovas de tipo 1a, que se sabe que tienen un cierto nivel de luminosidad. Por lo tanto, eran conscientes de que había otro factor que contribuyó a la apariencia más tenue de estos objetos. Los científicos pueden calcular la distancia (y la velocidad) de un objeto a partir de su luminosidad. Los objetos menos luminosos suelen estar más lejos, aunque el polvo y otros factores pueden hacer que un objeto se oscurezca.
Los científicos llegaron a la conclusión, que estas supernovas estaban mucho más lejos de lo que esperaban observando sus corrimientos al rojo.
Los investigadores calcularon la distancia de estas supernovas utilizando el brillo de los objetos. A partir de su espectro, pudieron determinar el desplazamiento al rojo de los objetos y, por tanto, la velocidad a la que se alejan de nosotros. Descubrieron que las supernovas no estaban tan cerca como se esperaba, lo que significaba que se habían alejado más rápido de lo previsto. Como resultado de estas observaciones los científicos llegaron a la conclusión de que el universo debería expandirse más rápidamente.
Aunque se han explorado otras posibles explicaciones para estas observaciones, recientemente se han estudiado supernovas aún más lejanas u otros fenómenos cósmicos reuniendo más pruebas y apoyando la idea de que el universo se expande más deprisa con el tiempo. Este fenómeno se lo conoce como aceleración cósmica.
Sin embargo, mientras los científicos elaboraban razones a favor de la aceleración cósmica, también se cuestionaban: ¿por qué? ¿Qué podría estar impulsando la expansión del universo con el tiempo?
La energía oscura: ¿Qué es exactamente?
En la actualidad, la energía oscura no es más que el nombre que los astrónomos han dado al enigmático «algo» que hace que el universo se expanda a un ritmo acelerado.
Algunos han dicho que la energía oscura tiene el efecto de una presión negativa que empuja el espacio hacia el exterior. Sin embargo, no sabemos si la energía oscura ejerce algún tipo de fuerza. Existen muchas ideas sobre lo que podría ser la energía oscura. A continuación, se presentan cuatro explicaciones principales de la energía oscura. Hay que tener en cuenta que es posible que sea algo totalmente distinto.
La energía del vacío:
Algunos científicos sostienen que la energía oscura, también conocida como energía del vacío, es una energía fundamental que siempre está presente en el espacio y que podría ser igual a la constante cosmológica, un término matemático que se encuentra en las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein. Originalmente, la constante existía para contrarrestar la gravedad, lo que daba lugar a un universo estático. Pero cuando Hubble confirmó que el universo se estaba expandiendo, Einstein eliminó la constante, calificándola de «mi mayor error», según el físico George Gamow.
Sin embargo, cuando se descubrió más tarde que el universo se estaba expandiendo rápidamente, algunos expertos plantearon la posibilidad de que la constante cosmológica, que antes era desacreditada, pudiera en realidad tener un valor diferente de cero. Según ellos, se requiere una fuerza adicional para acelerar la expansión del universo. Se sugirió que este elemento enigmático podría deberse a una energía teórica conocida como «energía del vacío», que cubre todo el espacio.
El espacio nunca está completamente vacío. Las partículas virtuales, también conocidas como pares de partículas y antipartículas, existen según la teoría cuántica de campos. Se cree que las partículas virtuales se anulan entre sí casi al instante de su aparición en el universo, y que este fenómeno de aparecer y desaparecer podría ser posible debido a la «energía del vacío» que llena el cosmos y empuja el espacio hacia fuera.
Los científicos que estudian esta opción han calculado cuánta energía de vacío teóricamente debería haber en el espacio. Han demostrado que, o bien debería haber tanta energía de vacío que, al principio, el universo se habría expandido con tanta rapidez y fuerza que no se habrían podido formar estrellas ni galaxias, o bien… no debería haber absolutamente ninguna. Esto implica que la cantidad de energía del vacío en el cosmos debe ser significativamente más pequeña de lo que se muestra en estas predicciones. Sin embargo, esta discrepancia aún no se ha resuelto y se ha denominado «el problema de la constante cosmológica».
La quintaesencia:
Algunos científicos creen que la energía oscura es un tipo de campo energético o fluido que llena el espacio. Se comporta de manera opuesta a la materia normal y puede variar en cantidad y distribución tanto en el espacio como en el tiempo. Esta posible versión de la energía oscura ha sido bautizada con el nombre de quintaesencia, en honor al quinto elemento teórico del que hablaban los antiguos filósofos griegos.
Aunque actualmente se considera que la energía oscura y la materia oscura están completamente separadas, algunos científicos han sugerido que la quintaesencia podría ser una combinación de ambas. Aunque ambas son grandes misterios para los científicos. Se cree que la materia oscura representa alrededor del 85 % de toda la materia del universo.
Arrugas en el espacio:
Algunos expertos creen que la energía oscura es una anomalía en la estructura del universo, similar a la que se encuentra en las cuerdas cósmicas, que constituyen hipotéticas «arrugas» unidimensionales que se cree que se formaron en el universo primitivo.
Una anomalía en la relatividad general:
Algunos científicos creen que la energía oscura no es algo tangible que podamos encontrar. En cambio, creen que la teoría de la gravedad de Einstein y su funcionamiento a escala del universo observable podrían presentar un problema. Los científicos creen que podemos cambiar nuestra comprensión de la gravedad para explicar las observaciones del universo que se han hecho sin energía oscura. En 1919, Einstein propuso una idea de este tipo en 1919, denominada gravedad unimodular, una versión modificada de la relatividad general que, según los científicos actuales, no requeriría energía oscura para dar sentido al universo.
Uno de los mayores misterios del universo es la energía oscura. Los científicos han desarrollado teorías sobre nuestro universo en expansión durante décadas. Por primera vez, contamos con recursos suficientemente poderosos para poner a prueba estas teorías e investigar en profundidad la pregunta fundamental: «¿qué es la energía oscura?»
La NASA es parte importante de la misión Euclid de la ESA (Agencia Espacial Europea), lanzada en 2023 que realizará un mapa en 3D del universo para ver cómo la materia ha sido separada por la energía oscura a lo largo del tiempo. Este mapa mostrará miles de millones de galaxias hasta una distancia de 10.000 millones de años luz de la Tierra.
El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA, cuyo lanzamiento está programado para mayo de 2027, tiene como objetivo investigar una variedad de temas científicos, incluida la energía oscura, y también crear un mapa tridimensional de la materia oscura. El Roman tendrá una resolución tan nítida como la del telescopio espacial Hubble de la NASA, pero tendrá un campo de visión 100 veces mayor, lo que le permitirá capturar imágenes más amplias del universo. Esto permitirá a los científicos dibujar cómo se estructura y distribuye la materia en el universo. Explorar cómo se comporta la energía oscura y cómo ha cambiado con el tiempo. Roman también realizará estudios adicionales para encontrar supernovas de tipo Ia.
El Observatorio Vera C. Rubin, que se está construyendo actualmente en Chile y está respaldado por una amplia colaboración con la Fundación Nacional de la Ciencia de EE.UU., también está preparado para apoyar nuestra creciente comprensión de la energía oscura, además de las misiones y esfuerzos de la NASA. Se prevé que el observatorio terrestre comience a funcionar en 2025.
Los trabajos en colaboración del Euclides, Roman y Rubin marcará el inicio de una nueva «edad dorada» en la cosmología, en la que los científicos descubrirán más detalles que nunca sobre los grandes misterios de la energía oscura.
Además, el telescopio espacial más grande y potente del mundo, el telescopio espacial James Webb de la NASA, tiene como objetivo realizar aportaciones a varias áreas de investigación y contribuir a los estudios sobre la energía oscura.
La misión SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer) de la NASA tiene como objetivo investigar los orígenes del universo. Su lanzamiento está programado para abril de 2025. Los científicos esperan que la información recolectada con SPHEREx, que explorará todo el cielo en luz infrarroja cercana, incluyendo más de 450 millones de galaxias, mejore nuestra comprensión de la energía oscura.
La NASA también apoya un proyecto de ciencia ciudadana llamado Dark Energy Explorers (Exploradores de energía oscura), que permite a cualquier persona del mundo, incluso aquellos que no tienen experiencia científica, colaborar en la búsqueda de respuestas sobre la energía oscura.
REFERENCIAS
The Universe’s Building Blocks. NASA: https://science.nasa.gov/universe/overview/building-blocks/#dark-energy
Nancy Grace Roman Space Telescope. NASA: https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/
Nancy Grace Roman Space Telescope. NASA: https://science.nasa.gov/mission/roman-space-telescope/
James Webb Space Telescope. NASA: https://science.nasa.gov/mission/webb/
SPHEREx. JPL NASA: https://www.jpl.nasa.gov/missions/spherex
Dark Energy Explorer. NASA: https://science.nasa.gov/science-news/citizenscience/become-a-dark-energy-explorer
