La energía y la materia oscura

Sin la energía, y la materia oscura, no somos capaces de explicar algunas de las cosas que observamos en el Universo. No podemos observarlas de manera directa, pero sabemos que tienen que estar ahí… ¿por qué?

Un universo en expansión

Esta imagen es una representación cronológica (de abajo a arriba, comenzando desde el Big Bang) de la expansión del universo, ilustrando el efecto de la energía oscura. En la parte superior, la expansión es tal que la curva se vuelve prácticamente llana. Crédito: Ann Feild (STScI)

Esta imagen es una representación cronológica (de abajo a arriba, comenzando desde el Big Bang) de la expansión del universo, ilustrando el efecto de la energía oscura. En la parte superior, la expansión es tal que la curva se vuelve prácticamente llana.
Crédito: Ann Feild (STScI)

Para poder entender qué papel desempeña la energía oscura, y por qué creemos que compone alrededor de las tres cuartas partes del universo, es necesario remontarnos a principios del siglo XX. En 1929, Edwin Hubble, un astrónomo americano, estaba estudiando las explosiones de supernovas para determinar que el universo se expande. Desde aquel entonces, los científicos han intentado calcular a qué velocidad….

Sabemos que la gravedad lo atrae todo, así que es lógico pensar que, del mismo modo, tiene que ponerle freno a la expansión del universo. Por lo tanto, la pregunta más lógica era… ¿a qué velocidad se está frenando la expansión del universo? En la década de los 90, dos equipos de astrofísicos independientes (sin ningún tipo de relación entre sí) centraron su atención en las supernovas para calcular esa desaceleración. Para su sorpresa, vieron que el efecto era el contrario. La expansión del universo no está frenando, si no que está acelerando.

A falta de un nombre mejor, la conocemos como energía oscura, y, calculando la cantidad de energía necesaria para vencer la fuerza de la gravedad, los científicos calculan que debe ser un 68% del universo. Otro 27 por cien del universo estaría compuesto de materia oscura, y la materia normal (es decir, la que todos conocemos y vemos) sólo sería el 5% del universo a nuestro alrededor.

No la podemos ver, pero está ahí

Aunque pueda parecer la foto de alguna zona urbana. Esta imagen es una simulación de cómo puede ser la estructura del universo a gran escala (el tamaño de esta imagen sería de 50 millones de años-luz). Crédito: Andrew Pontzen y Fabio Governato

Aunque pueda parecer la foto de alguna zona urbana. Esta imagen es una simulación de cómo puede ser la estructura del universo a gran escala (el tamaño de esta imagen sería de 50 millones de años-luz).
Crédito: Andrew Pontzen y Fabio Governato

Tanto la energía como la materia oscura son conceptos teóricos. No hemos logrado observarlas de manera directa, pero sabemos que están ahí. En cuanto a la energía oscura, sólo sabemos cómo afecta a la expansión del universo (la acelera) y que se ha comportado de manera constante a lo largo de su historia, pero no sabemos qué propiedades tiene.

La teoría que más solidez tiene es que la energía oscura es una propiedad del espacio (las otras teorías son, llanamente, que no comprendemos del todo bien cómo funciona la gravedad, y que la energía en el universo es una especie de campo cambiante, la quintaesencia). Aunque decimos que el espacio está vacío, no es así. Albert Einstein fue el primero en darse cuenta, y en comprender que podía aparecer más espacio.

En su teoría de la relatividad general, incluyó algo que llamamos la constante cosmológica (es el valor de la densidad de energía del vacío en el espacio)  para contrarrestar la gravedad y lograr la imagen de un universo estático (como se creía en aquella época). Tras el anuncio de Hubble de que el universo se expandía, el genial astrónomo alemán la desechó, llegando a decir que fue su mayor error (no tenía sentido que hubiese una constante para mantener el universo estático).

La ironía es que, gracias a lo descubierto en 1990, la constante cosmológica es la que mejor explica la existencia de la energía oscura y su comportamiento. Nos sirve para predecir que el espacio vacío tiene su propia energía y que, a medida que aparece más espacio, se añade más energía al universo, aumentando su expansión. Es decir, aunque en cierto modo es una casualidad que la constante encaje, y la comunidad científica no está muy segura de por qué, funciona.

La materia oscura

La materia oscura es invisible. Gracias al efecto de lente gravitacional, los astrónomos han podido inferir que hay un anillo de materia oscura en este cúmulo de galaxias (conocido como CL0024+17) que está representado en color azul. Crédito: NASA/ESA

La materia oscura es invisible. Gracias al efecto de lente gravitacional, los astrónomos han podido inferir que hay un anillo de materia oscura en este cúmulo de galaxias (conocido como CL0024+17) que está representado en color azul.
Crédito: NASA/ESA

Por su parte, la materia oscura compone el 80 por cien de la masa del universo, formada de material que no podemos observar directamente. No emite luz o energía. Los estudios de otras galaxias en la década de los 50 fueron los primeros en indicar que el universo tenía más materia de la que podíamos observar. No tenemos ninguna evidencia directa de que exista, pero es la única forma de explicar esa diferencia entre lo que vemos y lo que debería haber.

¿Cómo sabemos que existe si no la podemos medir? Los científicos calculan la masa de los objetos masivos en el espacio calculando su movimiento. En la década de los 50, los astrónomos analizaron varias galaxias espirales, esperando ver que el material más cercano al centro se movía más rápido que el que se encontraba en el borde exterior. Sin embargo, lo que se encontraron fue que las estrellas en ambos lugares viajaban a la misma velocidad, indicando que tenía que haber más masa en las galaxias de la que podíamos observar. Los estudios del gas en las galaxias elípticas indicaron lo mismo: tenía que haber más masa que la que se podía ver.

De no ser así, los cúmulos de galaxias se desharían (cada galaxia saldría en una dirección diferente) porque no bastaría con la masa que contienen y que sí podemos ver. Y aquí, de nuevo, aparece Albert Einstein. Logró demostrar que los objetos más masivos del universo curvan y distorsionan la luz, permitiendo que podamos usarlos como lentes. Por medio del estudio de esa distorsión de la luz en los cúmulos de galaxias, se ha podido llegar a crear mapas de la materia oscura del universo.

Cómo funciona el conjunto de materia y energía oscura

Albert Einstein

Albert Einstein

Por tanto, tenemos más o menos claro (de manera indirecta) que hay, a grandes rasgos, dos posibilidades. O bien las leyes de la gravedad y del funcionamiento del cosmos necesitan revisión (porque no las comprendemos bien del todo, y no es algo descartable, aunque parece poco probable si tenemos en cuenta que nos permite entender todo). O simplemente necesitamos perfeccionar nuestro entendimiento sobre cómo funcionan estos dos conceptos teóricos (y quién sabe, quizá algún día demos con la forma de demostrar su existencia, igual que con el Bosón de Higgs, que hasta hace muy poquito tiempo, era una partícula teórica, a pesar de que todo hacía indicar que debía existir).

En definitiva, la energía oscura es la responsable de la aceleración de la expansión del universo (ya que actúa como anti-gravedad, por decirlo así), mientras que la materia oscura nos permite entender el comportamiento de grandes grupos de objetos en el universo (como los supercúmulos de galaxias) al proporcionar gravedad adicional que mantiene los cúmulos unidos. De no ser así, esos cúmulos, eventualmente, se descompondrían al moverse cada galaxia en una dirección diferente, ya que la gravedad de sus estrellas visibles no sería suficiente.

Referencia: Space

Alex Riveiro

Amante de la astronomía. Hablo de todo lo relacionado con el universo y sus conceptos de una manera amena y sencilla. Desde los púlsares hasta la historia de la astronomía en Al-Andalus.

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8 Respuestas

  1. lobitoloco dice:

    En vez de “inventarse” una energía oscura, lo que deberían preguntarse los científicos es porque consideran que la gravedad tiene un alcance infinito.
    A unas distancias muy grandes, las que existen entre galaxias, la gravedad es tan débil que ya no produce ninguna atracción.
    Si lo consideramos por el modelo relativista, la deformación espacio-temporal ha de ser tan pequeña(matemáticamente) que realmente no hay deformación alguna, debido a que ya entramos en términos cuánticos y ya no sirve las explicaciones clásicas.

    Por lo tanto la expansión del universo se explica fácilmente si la gravedad no es capaz de “llenar” todo el universo y no hace falta inventarse nada.

    ¿a que valor ocurrirá? eso es lo habría que calcular, pero por ejemplo podemos imaginar cuando la “energía potencial” de la gravedad sea inferior al valor de la constante de Planck.

  2. Arnoldo De la Hoz dice:

    Leído, tío!

  1. 13 octubre, 2015

    […] un camino completamente diferente? ¿Y si nos mandan sus mensajes utilizando alguna propiedad de la materia oscura? (que es aun más común que cualquiera de los elementos que conocemos? Entonces estaríamos […]

  2. 18 octubre, 2016

    […] no veamos el 90% de las galaxias del universo no quiere decir que tengamos la explicación para la energía oscura. Sabemos que no está compuesta de ningún tipo de materia normal, como la que forma parte de […]

  3. 17 noviembre, 2016

    […] para poder explicar lo que observamos a nuestro alrededor, necesitamos incluir cosas como la materia y la energía oscura. Una nueva hipótesis sobre la gravedad podría librarnos de […]

  4. 7 diciembre, 2016

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