Sabemos que está pero no sabemos qué es: el destino del Universo está en manos de esta energía

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Hace aproximadamente 25 años se produjo una revolución en el conocimiento del universo. Mediante el análisis detallado de cierto tipo de supernovas, gigantescas explosiones de estrellas que llegan al final de su ciclo de vida, dos equipos científicos, (que merecieron el premio Nobel de física en 2011), determinaron que el espacio se expande de manera acelerada.

Fue uno de los descubrimientos más sorprendentes de la historia de la ciencia. Lo esperado era que la expansión del universo se fuese frenando como consecuencia de la atracción entre galaxias, debido a la fuerza de la gravedad. La expansión acelerada puso de manifiesto que algo más estaba ocurriendo.

Existe un ente exótico, inadvertido hasta ese momento, que produce gravedad repulsiva y empuja a las galaxias haciendo que se alejen cada vez más rápido. Es la energía oscura.

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Distribución de materia en un universo con energía oscura y materia oscura (izquierda) y en un universo sin energía oscura (derecha). Las simulaciones que se muestran fueron realizadas por el Consorcio Virgo de Supercomputación, utilizando los ordenadores del Centro de Computación de la Sociedad Max Planck en Graching (Alemania) y el Centro de Computación Paralela de Edimburgo (Reino Unido). Los datos están disponibles de manera pública en el enlace: https://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/int_sims. Crédito de la imagen: Consorcio Virgo de Supercomputación

El descubrimiento de la energía oscura puso en marcha un potente programa de investigación científica internacional, que aún está activo, cuyo objetivo es determinar la composición del universo. Los resultados que ha producido son pasmosos.

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Una imagen del campo profundo del Cartografiado de la Energía Oscura (DES, por Dark Energy Survey). Casi todos los objetos que se ven en la imagen son galaxias lejanas. Crédito de la imagen: DES Collaboration/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani, CC BY-NC

Sabemos que está, pero no sabemos qué es

Las exitosas teorías actuales de la materia, formuladas en el conocido modelo estándar de la física de partículas, solamente explican un 5 % del contenido del universo. El restante 95 % está formado por dos entes exóticos cuya naturaleza física sigue siendo misteriosa y que no hemos conseguido producir en el laboratorio. Se trata de la materia oscura (25 % del contenido del universo) y de la energía oscura (70 %).

En el último cuarto de siglo se ha desarrollado el modelo estándar de la cosmología, la “versión moderna” de la teoría del big bang, conocido como ΛCDM. Esta teoría explica todas las observaciones que se han realizado y considera que la energía oscura es la constante cosmológica (denominada Λ por los físicos).

El nombre de la teoría hace referencia a esos dos componentes dominantes del contenido del universo: la materia oscura (CDM, por Cold Dark Matter) y la energía oscura en forma de constante cosmológica (Λ).

Una minúscula cantidad y uno de los mayores misterios

La constante cosmológica es la energía intrínseca del espacio vacío. Los resultados actuales indican que esta energía es muy pequeña, una cantidad que equivale a la masa de 3 protones por cada metro cúbico de espacio. Por eso no se pudo detectar hasta 1998. Simplemente, los instrumentos anteriores no eran sensibles a un valor tan pequeño. A pesar de ser minúscula, es uno de los grandes misterios de la ciencia.

El modelo estándar de la física de partículas no puede explicar su magnitud y nadie sabe la razón profunda de esta discrepancia. Es el conocido como problema de la constante cosmológica. Para resolverlo será necesario desarrollar nuevas teorías físicas. Es posible, incluso, que la energía oscura sea algo todavía más exótico.

Para terminar de aclararlo están en marcha enormes proyectos de observaciones cosmológicas como DESI, LSST o Euclid, que proporcionarán nuevos y mejores datos en los próximos años.

El destino del universo

Sea cual sea la naturaleza física de la energía oscura, domina el destino del universo. La razón es su exótico comportamiento. Todos los otros componentes disminuyen su densidad según el universo se expande. Es lo esperable, pues hay la misma cantidad de materia en un volumen mayor.

Sin embargo, la energía oscura es un ente tan extraño que su densidad se mantiene constante (si es la constante cosmológica) o casi constante (si fuese otra cosa) con la expansión. Así que la energía oscura no disminuye (o disminuye muy poco) con el tiempo. Por lo tanto, acaba dominando la densidad del universo, e irá dominándola cada vez más en el futuro.

La muerte térmica

Llegados a este punto, es importante señalar que las predicciones para el futuro a largo plazo del universo debemos tomarlas con extrema prudencia. Es muy posible que se vayan haciendo nuevos descubrimientos que las alteren de manera importante. Pero con los datos actuales, que son compatibles con que la energía oscura sea la constante cosmológica, el futuro que le espera al universo es la conocida como muerte térmica.

Se expandirá para siempre, de una manera cada vez más rápida, haciendo que esté cada vez más vacío. La expansión acelerada provocará una fuga de galaxias más allá del horizonte cosmológico, hasta que solamente podamos observar nuestra vecindad cósmica y nada más.

El paso a paso del Apocalipsis

En unos 5 000 millones de años el Sol habrá consumido todo el combustible de su núcleo y se convertirá en una estrella gigante roja. Unos cuantos cientos de millones de años más tarde, colapsará en una enana blanca, el remanente de una estrella mediana como el Sol. En este proceso, evaporará los planetas interiores del Sistema Solar, incluida la Tierra.

Aproximadamente al mismo tiempo que el Sol se convierta en gigante roja, nuestra galaxia colisionará con Andrómeda, formando una única galaxia gigante y elíptica. Ninguna otra galaxia será visible en el cielo. Como consecuencia de la expansión acelerada habrán desaparecido tras el horizonte cosmológico.

La galaxia gigante formada tras la fusión de la Vía Láctea y Andrómeda también irá desapareciendo poco a poco, a media que sus estrellas vayan muriendo.

Tras un tiempo inconcebiblemente largo, todos los objetos desaparecerán para dejar solo un gas diluido de fotones con energía muy pequeña. Es el final, la muerte térmica de la que hablábamos.

Tanto la materia oscura como la energía oscura son entes que no conocemos bien todavía. Tenemos una posible explicación de la energía oscura como la constante cosmológica (aunque todavía es posible que sea algo más exótico), pero la naturaleza de la materia oscura es completamente desconocida. Por lo tanto, esta descripción del futuro del universo puede sufrir cambios sustanciales a medida que vayamos dilucidando sus propiedades físicas. Es un camino fascinante, que promete descubrimientos revolucionarios. ¡Cómo no vamos a estar atentos!The Conversation

Eusebio Sánchez Álvaro, cosmología y física de partículas, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.