No, La Energía Obscura no es una Ilusión

Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras


Una supernova observada en las suburbios de una galaxia distante y que proporciona la mejor evidencia de la energía obscura. Pero las teorías alternativas intenta explicar el mismo fenómeno sin ella. Crédito de la imagen: NASA / Swift

Original por Ethan Siegel Abril 11 de 2017
las opiniones expresadas son exclusivas del escritor.

En 1998, dos equipos de científicos anunciaron un descubrimiento estremecedor: La expansión del Universo estaba acelerándose. Las galaxias distantes no solo estaban alejándose de nosotros, si no que la velocidad de su alejamiento estaba incrementándose con el tiempo. En los siguientes años, mediciones de mayor precisión de tres cantidades independientes – en galaxias distantes que tenían supernovas tipo Ia, el patrón de fluctuación en el fondo de microondas, y las correlaciones en las grandes escalas entre galaxias a una variedad de distancias – todos apoyan y confirman este cuadro. Cual es la explicación primordial? Hay una nueva forma de energía inherente al espacio mismo: la energía obscura. La evidencia es tan fuerte que no hay dudas razonables ante la evidencia, pero muchos equipos han construido alternativas para la explicación del fenómeno, alegando que la energía obscura podría ser una ilusión.


La expansión (o contracción) del espacio es necesariamente una consecuencia de un Universo que contiene masas. Pero el índice de expansión y la forma en que se comporta a o largo del tiempo es cuantitativamente dependiente de lo que está en el Universo. Crédito de la imagen: NASA / WMAP

Para entender si este podría ser el caso, necesitamos caminar a través de estos cuatro pasos sencillos:

• Como luciría un Universo sin energía obscura,
• Como luce nuestro Universo actualmente,
• Que explicaciones alternativas han sido ofrecidas,
• Y evaluar si cualquiera de ellos podría funcionar legítimamente?

En la ciencia, como en todas las cosas, es hermosamente simple preguntarse “que tal si...” para plantear escenarios alternativos a la idea principal. Pero que puede permanecer firme al aplicarle el rigor científico? Esta es la prueba crucial.


Un Universo cerrado (sobre denso), abierto (sub denso), y critico (plano) el cual podría re-colapsar, o expandirse por siempre, o tener una expansión asintótica cerca del cero, respectivamente, todo en un Universo sin energía obscura. Crédito de la imagen: NASA / WMAP science team

Mucho antes de que concibiéramos el concepto de energía obscura por allá en as décadas de los 1920s y 1930s, los científicos desarrollaron las ideas de como se desarrolló el Universo con la ayuda de la teoría General de la Relatividad. Si usted considera que el cosmos, en las escalas más grandes, es uniforme – con la misma densidad y temperatura en todas partes – solo hay tres escenarios posibles para describir el Universo tal y como se está expandiendo hoy. Si usted llena un Universo con materia y radiación, como el nuestro parece estar, la gravedad luchará contra la expansión, y el Universo puede:

• expandirse hasta el punto, de alcanzar un tamaño máximo, y luego comenzar a contraerse, eventualmente llevar a un total re-colapso.
• expandirse y luego desacelerarlo de alguna manera, pero la gravedad es insuficiente de detener o reversarlo, y este se expandirá eternamente en un abismo cósmico.
• expandirse, con la gravedad y la expansión balanceándose el uno con el otro perfectamente, de modo que el índice de expansión y de alejamiento con una velocidad asintótica cercana a cero, pero que nunca se devuelve.

Estos son los tres destinos clásicos del Universo: un gran colapso, un gran enfriamiento, o un Universo critico el cual permanece en la frontera de los dos anteriores.


Sin energía obscura, el Universo no podría estar acelerándose. Crédito de la imagen: NASA & ESA

Pero entonces las observaciones definitivas llegaron, y estas dijeron que el Universo no estaba haciendo ninguna de esas tres cosas. Durante los primeros seis mil millones de años luego del Big Bang, pareció que vivimos en un Universo critico, creando un balance entre una expansión inicial y los efectos gravitatorios atrayendo casi de manera perfecta. Pero cuando la densidad del Universo disminuyó hasta una cierta cantidad, una sorpresa surgió: las galaxias distantes comenzaron a acelerarse alejándose las unas de las otras. Esta aceleración cósmica fue inesperada, pero robusta, y ha continuado constante en los siguientes 7,8 miles de millones de años.


Las mediciones del tiempo y la distancia del pasado (hasta llegar al día de hoy) pueden informarnos acerca de como el Universo se acelerará/desacelerará en un futuro lejano. Y podemos aprender como la aceleración cambió hace 7,8 miles de millones de años. Crédito de la imagen: Saul Perlmutter of Berkeley

Por que sucedió esto? El conocimiento actual de las formas de energía del Universo – partículas, radiación y campos – no pueden dar una explicación acerca de esto. De modo que los científicos hipotetizaron acerca de una nueva forma de energía, la energía obscura, que podría causar que la expansión del Universo a acelerarse. Este podría ser un nuevo campo que permea todo el espacio causándola; y este podría ser un punto de energía cero del vacío cuántico; esta podría ser la constante cosmológica de Einstein de la teoría General de la Relatividad. Los observatorios actuales y los que están planificados y también los experimentos están buscando posibles marcas que podrían distinguir en la búsqueda por divergencias de cualquiera de esas explicaciones potenciales, pero por ahora, todas son consistentes con la verdadera naturaleza de la energía obscura.


La relación entre distancia/corrimiento al rojo, incluyendo los más distantes objetos, vistos como las supernovas tipo Ia. La información favorece la aceleración cósmica, incluso a través de otro tipo de información que ahora existe. Crédito de la imagen: Ned Wright, based on the latest data from Betoule et al

Pero otras alternativas han sido propuestas también. Agregando un nuevo tipo de energía al universo que debería ser el último recurso para explicar las observaciones recientes, o incluso un nuevo conjunto de observaciones. Muchas personas fueron escépticas acerca de su existencia, de modo que los científicos comenzaron a preguntarse que otra cosa podría estar ocurriendo? Que podría replicar estos mismos efectos? Un número de posibilidades surgieron:

• Quizás las supernovas distantes no eran iguales a las supernovas cercanas, o eran inherentemente más débiles?
• Quizás hubo algo acerca del ambiente en el cual la supernova se presentó que causó estos cambios? Quizás la luz distante, en su camino, estuvo padeciendo un tipo de interacción que causó este error cuando llegó hasta nosotros?
• Quizás un tipo distinto de polvo existió, haciendo que esos objetos aparezcan sistemáticamente más débiles?
• O, pudo ser que las premisas sobre las que esos modelos están fundados – de que el Universo es en las grandes escalas perfectamente uniforme – está lo suficientemente defectuosa que parece ser la que la energía obscura es la “correcta” predicción de la teoría de Einstein?

La luz bloqueada, la luz perdida, o sistemáticamente la luz a través de diferentes escenarios han sido todas estudiadas a través de los diferentes enfoques del problema, como que incluso que las supernovas fueran removidas de la ecuación enteramente, la evidencia de la energía obscura es aun así avasallante. Con las precisas mediciones del fondo cósmico de microondas (Cosmic Microwave Background), las oscilaciones acústicas de bariones, y las estructuras a gran escala, que forman y fallan al formar nuestro Universo, el caso es que el índice de expansión de nuestro Universo esta cambiando, y la forma como lo hemos medido es irreprochable.


Las restricciones a la energía oscura de tres fuentes independientes: supernovas, CMB y BAO. Tenga en cuenta que incluso sin supernovas, necesitaríamos de la energía oscura. Crédito de la imagen: Supernova Cosmology Project, Amanullah, et al., Ap.J. (2010)

Pero que podemos decir acerca de esta última posibilidad? El Universo después de todo no es perfectamente uniforme. El tiene enormes regiones sobre-densas: filamentos cósmicos, cúmulos gigantes de galaxias, y galaxias individuales ligadas, estrellas, planetas, nubes de polvo, e incluso agujeros negros, sin mencionar la materia obscura. Pero también existen regiones sub-densas: vacíos cósmicos que prácticamente no tienen galaxias ni estrellas dentro, extendiéndose por más de decenas de millones de años luz. Y si el Universo no es uniforme – y en particular, si este fuera desde un estado más uniforme hasta uno menos uniforme con el,tiempo – quizás lo que estamos viendo como energía obscura es una simple interpretación errónea de la energía en esas imperfecciones?


Un Universo con energía obscura (en rojo), un Universo con una energía sin homogeneidad (en azul), y un Universo critico libre de energía obscura (en verde). Tenga en cuenta que la línea azul se comporta de manera diferente de la energía obscura. Crédito de la imagen: Gábor Rácz et al., 2017

Esta es la idea que se desarrolla en un nuevo documento, publicado hace unas pocas semanas, por Gábor Rácz y un grupo de colaboradores. O más precisamente, esta es una vieja idea que viene desde hace unos cuantos años, y que ha sido descartado y sigue siéndolo. Por que ha sido descartado? Por que los efectos de estas faltas de homogeneidad en la expansión han sido cuantificadas, y los resultados han sido conocidos por muchos años. Las grandes conclusiones que podemos deducir son:

• Las imperfecciones cósmicas contribuyen como curvatura espacial, con lo cual se deja de lado que es incapaz de contribuir a la causa del efecto de una expansión acelerada
• Ellas contribuyen con menos del 0,01% del índice de expansión todo el tiempo, incluso si se extrapola hasta miles de millones de años en el futuro.
• Y que el potencial de la energía gravitatoria es el más grande contribuyente de esas imperfecciones cósmicas, pero no juega un papel importante en ninguna de las escalas del Universo: desde las singularidades hasta más allá del Universo observable.

Las contribuciones a la falta de homogeneidad de la energía para la expansión cósmica (linea superior), hasta hoy (1 en el eje), y la contribución fraccional al índice de expansión. Fíjese que el lejano futuro, la contribución nunca se aproxima a 1. las lineas rectas son aproximaciones lineales; las curvas son totalmente calculadas. Crédito de la imagen: E.R. Siegel and J.N. Fry, 2005

Aun cuando yo mismo (el autor) escribí importantes documentos que cuantificaron estos efectos, este resultado ha sido conocido desde al menos 1995, cuando Uros Seljak y Lam Hui presentaron su enfoque en un simposio. El Universo es ciertamente imperfecto, pero sabemos exactamente que tanto ( y por ahora suficiente) es de imperfecto. Fue una idea interesante pero el efecto de sus imperfecciones es bien entendido, pero no puede explicar la aceleración observada. La energía obscura está aquí para quedarse.

Si usted va a resucitar una idea vieja, usted debería tener una buena razón por que las viejas objeciones que las descartaron ya no se aplican. Hasta el día de mañana usted puede descansar seguro de que la energía obscura no es una ilusión.!