Energía oscura y constante cosmológica

Me ha gustado el artículo de T. Padmanabhan, “DARK ENERGY AND ITS IMPLICATIONS FOR GRAVITY,” ArXiv preprint, 16 July 2008 . El artículo propone que los problemas de qué es la energía oscura en el universo y el problema de la constante cosmológica son completamente independientes entre sí. La idea me gusta. Permítaseme parafresear su introducción.

El universo más simple que podemos imaginar contiene solamente materia visible (bariones) y radiación (energía). En el modelo matemático más sencillo del universo en expansión desde el big bang hay una densidad crítica (ρc) por encima de la cual el universo es abierto y se expande eternamente y por debajo de la cual es cerrado y acabará contrayéndose en un big crunch. La densidad de la materia bariónica (ρb) y de la radiación (ρr) se normalizan respecto a la densidad crítica dando lugar al parámetro adimensional Omega, sea Ob (=ρb/ρc) u Or (=ρr/ρc) para la materia bariónica y para la radiación, respectivamente, siendo O el valor total para el universo. Si O>1 es abierto, si O<1 es cerrado, y si O=1 es el universo es plano. Hasta principios de los 1980s se pensaba que el valor correcto del parámetro O (densidad de “contenido” del universo) era menor de la unidad, aunque algunos autores “gustaban” de un valor O=1.

Sin embargo, las observaciones astronómicas desde mediados de los 1970s indican que la mayoría de la materia en el universo no es bariónica, no es visible, es materia oscura. Es decir, la densidad de materia Om en el universo es fundamentalmente materia oscura Oo en lugar de materia visible Ob. Más aún, a principios de los 1980s se desarrolló el modelo inflacionario, el universo en sus primeros instantes sufre una expansión exponencial, que tiene como consecuencia la preferencia por un valor O=1 (valor crítico). Durante los 1980s, los cosmólogos teóricos preferían un modelo con O=Oo=1, aunque los datos astronómicos de los cosmólogos observacionales sugerían que Om=Oo=0.2-0.3. Sólo a finales de los 1980s y principios de los 1990s algunos teóricos sugirieron que podría existir alguna forma o componente de densidad de energía “oscura” Oe que reconciliará el resultado inflacionario O=1 con los datos experimentales Om=0.2-0.3. Los primeros análisis indicaban que este tipo de “energía” estaba distribuida uniformemente por todo el universo y que tenía una presión negativa (responde de forma antigravitatoria).

Este era el estado de las cosas hasta finales de 1990s, cuando las observaciones de supernovas Ia como candelas para medir distancias grandes mostró que la expansión del universo actualmente se está acelerando, lo que se puede explicar con una componente de energía oscura Oe=0.60-0.75. Cuando se trata esta energía como un fluido, su presión es negativa (si su densidad de energía es positiva). La elección más sencilla para explicar esta energía oscura es la existencia de una constante cosmológica en las ecuaciones de Einstein de la gravedad. Este término en dichas ecuaciones actúa como un fluido con presión negativa, compatible con las observaciones.

Dibujo20130207 composition of the cosmos

El resultado es un universo con una composición, cuando menos, extraña. La densidad de radiación (energía “visible”) es ridícula, Or=0.00005, la densidad bariónica (materia “visible”) es muy pequeña, Om=0.04, la densidad no bariónica (materia “oscura”) tiene Oo=0.26 y la energía oscura tiene Oe=0.70. Como no sabemos qué es la materia oscura y no tenemos una explicación “buena” para la energía oscura, el 99.6% del universo no es desconocido.

En relatividad general la aceleración de la expansión del universo está controlada por la suma de la densidad más 3 veces la presión, (ρ+3p) y no solamente la densidad ρ. Cuando (ρ+3p)>0, la gravedad total resultante es atractiva y la expansión se desacelera. Por el contrario, cuando (ρ+3p)<0 la gravedad muestra efectos “repulsivos” y la expansión del universo se acelera. En otras palabras, si la energía oscura domina sobre la materia, genera suficiente presión negativa para que el universo acelere su expansión. Ese es el resultado experimental observado por el corrimiento al rojo del espectro de las supernovas.

El nuevo modelo de “cómo parece que son las cosas” es muy bueno a la hora de predecir cosas y concuerda con un gran número de observaciones cosmológica independientes, las mas importantes son las siguientes:(a) Pequeñas fluctuaciones cuánticas en la distribución de energía en los inicios del universo fueron amplificados por una inestabilidad gravitatoria lo que las llevó a formar el núcleo de las futuras grandes estructuras del universo (galaxias, cúmulos, etc.) que existen hoy en día. La amplificación se produjo gracias a un periodo inflacionario de expansión exponencial. Las fluctuaciones cuánticas amplificadas son las fluctuaciones del campo de energía responsable de ésta, llamado campo inflatón, cuya naturaleza exacta actualmente es una incógnita.
(b) Aunque desconocemos el modelo exacto del inflatón, con lo que carece de poder predictivo per se, los posibles modelos tienen parámetros ajustables que permiten que el campo de fluctuaciones cuánticas tenga un espectro gaussiano caracterizado por un espectro de potencia compatible con las observaciones del fondo cósmico de microondas obtenidas por la sonda WMAP. Las observaciones de gran precisión de WMAP confirman este escenario (o mejor, el escenario se puede adaptar fácilmente a las observaciones).
(c) Simulaciones numéricas de la posible evolución de las pequeñas perturbaciones en el campo del inflatón permiten observar universos con características estadísticas para la materia bariónica (la visible) muy similares (estadísticamente, he dicho) a las observadas astronómicamente.
(d) Más aún, la cantidad de deuterio (hidrógeno pesado) estimada en el universo es compatible con una nucleosíntesis primordial en un universo con los parámetros previamente descritos. La nucleosíntesis “prueba” el universo cuando tenía sólo unos pocos minutos, mientras que el fondo cósmico de microondas lo prueba con varios cientos de miles de años. Que ambas observaciones sean compatibles es una prueba muy importante de lo razonable del modelo.

En palabras de Padmanabhan, “aunque no entendemos nuestro universo, hemos tenido mucho éxito en parametrizar nuestra ignorancia en términos de unos números bien elegidos.”

El mayor problema de nuestra comprensión de nuestro universo es el la energía oscura. El modelo más sencillo para la energía oscura considera que no es un fluido de presión negativa (que tendría una ecuación de estado p=w.ρ con w=−0.8 ) sino que es un valor no nulo de la constante cosmológica λ (con ecuación de estado p=−ρ, es decir, w=−1). Sin embargo, esto acarrea un nuevo problema, el problema de la constante cosmológica. Si adimensionalizamos las ecuaciones de Einstein para obtener un escala “natural” para la constante cosmológica, utilizando unidades de Planck, el único valor razonable para la escala de λ es 10^(−123), sí, un valor 123 órdenes de magnitud menor que la unidad. Esto ha llevado a mucha gente a creer que la constante cosmológica es exactamente cero. Pero las observaciones indican que su valor es no nulo. ¿Por qué la constante cosmológica tiene un valor no nulo tan pequeño?

Normalmente el valor nulo de una constante está relacionado con una simetría en las ecuaciones (alguna magnitud que se conserva de forma exacta). Sin embargo, no se conoce tal magnitud asociada a λ=0 (no la hay en las ecuaciones de Einstein). Por ejemplo, que el fotón tenga masa en reposo exactamente cero está relacionada con la simetría o invarianza de fase en el electromagnetismo (electrodinámica cuántica). La supersimetría, aún no descuberta experimentalmente pero que está en los objetivos del próximo LHC del CERN, asegura que λ=0, a alta energía, pero esta simetría está rota a baja energía y no puede explicar dicho valor en un contexto cosmológico.

Finalmente, hay otro problema importante en relación a la constante cosmológica que aparece frecuentemente en la literatura científia, ¿por qué ahora? Por qué en “nuestra” época del universo la contribución de la energía oscura a la densidad del contenido del universo (la enegía oscura) es comparable a la energía del resto de la materia del universo. hat could be called the “why now” problem of the cosmological constant. Según, Padmanabhan una teoría capaz de predecir el valor numérico actual de λ, debe también resolver el problema de por qué ahora su valor es comparable al resto de la densidad de energía. Actualmente tal teoría no existe.

Actualmente no tenemos ninguna teoría que explique los valores de las densidades de las componentes del universo. Ni ρr cuyo valor lo conocemos por la temperatura del fondo de microondas, para la que no tenemos ninguna teoría que explique por qué vale 2.73 ºK cuando han transcurrido cierto número de miles de millones de años desde que se formaron las galaxias. Ni tampoco tenemos ninguna teoría que explique el cociente de ρr/ρb, ni … En resumen, necesitamos nuevos datos experimentales pero también necesitamos nuevas “mentes”, nuevos “genios” que pongan los puntos sobre las íes en estos acuciantes problemas cosmológicos.

Un pensamiento en “Energía oscura y constante cosmológica

  1. Materia oscura
    Creemos que todo es energía. Que la materia es también energía. Que la materia puede transformarse en energía. Si la energía se condensa conforma la materia. La materia es energía concentrada más densa y menos activa que la energía.
    Hay dos tipos de materia dependiendo de su grado de organización, de su actividad interna y de su temperatura: la materia visible o activa, organizada en forma de átomos que emite radiaciones y la materia fría, desenergizada o materia oscura, inactiva, no organizada en átomos y que no irradia energía electromagnética.
    En otras palabras: La materia muy fría es materia inactiva, que le falta energía para organizarse en forma de átomos y/o que no emite radiaciones, por eso también es llamada materia oscura.
    La materia visible es materia relativamente caliente o medianamente energizada, organizada en átomos, o sea la materia conocida, es materia activa que emite radiaciones, no solo luz, como la emitida por los astros, sino todo tipo de ondas electromagnéticas y esta energía viaja por el espacio en todas las direcciones, es decir cubriendo el espacio tridimencionalmente.
    Es lógico que el espacio cercano al conjunto material conocido donde nosotros habitamos esté muy saturado de la energía radiante emitida por el universo visible y que el espacio periférico más externo, más distante, más grande, más frío y más oscuro, presente menos densidad de radiación.
    Allá en el espacio exterior frío, posiblemente a temperaturas más bajas a las registradas por el fondo cósmico de microondas, está irregularmente dispersa la mayor cantidad de materia oscura, la que todavía no ha alcanzado a ser activada ni por la energía radiante emitida y enviada hacia allá por la materia activa, ni por la energía en gestación en el interior de sus múltiples agujeros negros donde se va concentrando esa materia fría y densa, en espera de su reactivación por suficiente acumulación de presión, calor y posterior explosión debida su actividad nuclear.
    Una parte de la materia oscura está distribuida, en forma de nodos, como agujeros negros, y otra parte se encuentra libre como partículas subatómicas entre la materia visible, pero la mayor cantidad de materia oscura está localizada en el espacio más exterior, orbitando como una corteza irregular que envuelve y atrae la materia visible, gracias a su mayor masa.
    En esa oscura y fría corteza exterior proliferan los agujeros negros, capturando la energía-materia que se escapa irradiada del universo visible.
    No hay energía oscura
    Creemos que NO existe la energía oscura, creemos que solo existe materia oscura, pero que es la misma materia conocida, los mismos componentes subátomicos, disponibles como materia prima para ser reactivados y construir átomos, y que mientras tanto son solo eso, materia prima, materia oscura, inactiva, fría y desenergizada, a veces compacta en los jóvenes agujeros negros y a veces muy poco densa e irregularmente dispersa como “micro polvo cósmico” de partículas subatómicas, tan sutil, escaso de masa y tan poco denso, que no logra interactuar con la materia visible.
    No creemos que exista la antigravedad o fuerza repulsiva que sea la responsable de la expansión acelerada del universo.
    El total de masa-energía del universo no puede contraerse y colapsar, porque orbita aceleradamente alrededor de su centro de gravedad con una fuerza centrifuga cada vez mayor, aceleradamente gracias al continuo aporte de energía que se incorpora como energía cinética al acelerado proceso expansivo del universo, ya sea que dicha energía, sea el resultado de la nueva transformación de materia oscura en materia visible y en energía o que también gran parte de esa energía, sea creada, en caso de que sea válida la gran herejía.
    Las explosiones de los agujeros negros y de las supernovas reimpulsan alternativa y permanentemente el movimiento de rotación expansiva del Universo en su conjunto.
    Esas mayores concentraciones de energía oscura localizadas irregularmente en la periferia, orbitando también aceleradamente en el espacio más exterior, ayudan a la expansión acelerada del universo conocido, arrastrando hacia afuera, por efecto de la gravedad al conjunto menor de materia-energía visible que nos rodea y que está localizado más cerca del centro del Todo.
    Se contradicen en muchas cosas los amigos del big bang y los creacionistas, al afirmar que el universo no tiene centro porque explotó simultáneamente en todas partes. A ellos les preguntamos: Entonces fue un punto el que explotó o fueron varios puntos. Si para ellos el universo es finito debe tener un centro como lo tiene todo lo que es finito.
    La materia oscura muy densa como la de los agujeros negros no puede ocupar o saturar uniformemente todo el espacio vacío porque no sería posible la falta de fricción que viabiliza los movimientos orbitales de los cuerpos celestes. Sin vacío y sin inercia nada orbitaría.
    Si es válida la “Gran Herejía” la energía se reproducirá siempre y si es válida la teoría del “Eterno Infinito” la energía-materia será infinita y siempre estará disponible. Y si no son válidas ninguna de las dos, será valida la “Teoría del Reciclaje Cósmico”.
    Los agujeros negros y las supernovas son úteros cósmicos donde se acopian, gestan y/o reciclan las nuevas energías necesarias para la conquista futura del infinito, frío y oscuro espacio vacío.
    El ciclo se repite indefinidamente, la cantidad de materia-energía visible será cada vez mayor y colonizará más el espacio infinito y así será durante el tiempo infinito.
    La materia visible, actualmente activada por la energía es solamente el 4% del limitado universo aceptado por los amigos del big bang, y el cual es solamente lo poco que han podido ver por los telescopios. Falta mucho por descubrir.
    Ya sea que la energía-materia sea infinita o que se reproduzca, porque sea valida la Gran Herejía, de todos modos el futuro del universo no será apocalíptico.
    El universo crece y se va reciclando, por eso no habrá ni muertes térmicas ni desgarres. La materia y la energía tienen todas las propiedades físicas suficientes y necesarias para perpetuarse, ya sea creciendo o reciclándose.
    La energía se reproduce ó la materia es infinita y/o se reciclan.
    El universo conocido y visible será cada vez mas grande, cada vez se activará más materia oscura y se convertirá en materia activa, en materia visible y en energía, cada vez se iluminará más el infinito.
    La cosmofísica, en la era de Einstein, ha permitido el posicionamiento de muchas interpretaciones cosmológicas propias de místicos y aficionados a la ciencia ficción, que la han sumergido en un laberinto de contradicciones y paradojas muy difíciles de resolver, a menos que se afiance toda una nueva corriente científica de pensadores e investigadores sensatos y anti-esnobistas que revolucionen paradigmas y reorienten el estudio del cosmos por el camino del descubrir científico, dejando de lado las modas y las corrientes excentricistas que menosprecian el sentido común y que erróneamente parece que han creído que lo más alejado de la lógica, les resulta ser “lo más sabio”, tal vez por ser lo más inentendible y lo más parecido a sus abstractas e incoherentes especulaciones de las corrientes de moda.

    Cuando en el futuro, superemos la era Einsteiniana, comprobaremos y entenderemos varias verdades:

    Que los axiomas deben continuar siendo la base del razonamiento. – Que todos los agujeros negros explotan. – Que los agujeros negros no se evaporan. – Que la materia oscura es la materia prima de la materia conocida. – La inexistencia de la energía oscura. – Sabremos que la energía se reproduce ó que es infinita. – Que todo lo infinito tiene que ser eterno. – Conoceremos el centro del Universo visible. – Que el universo es más grande de lo que siempre se ha creído. – Sabremos si crece o decrece el fondo de microondas. – Que el universo es infinito y el tiempo es eterno. – Sabremos que la velocidad de la luz es también variable en el vacio. – Nos olvidaremos de las falsas múltiples dimensiones espaciales. – Entenderemos como el universo gira y se expande. – Conoceremos las causas de la expansión acelerada del Universo. – Comprenderemos los mecanismos del reciclaje cósmico de la energía. – Diferenciaremos el espacio del tiempo. – Separaremos las ciencias de la ficción y de las creencias mitológicas. – No le impondremos dogmas a la ciencia. – No esperaremos ni muertes térmicas ni desgarres. – Entenderemos nuestras responsabilidades como parte del TODO. – Tendremos mucho más por saber. – Tendremos una visión más optimista del Universo.

    Martín Jaramillo Pérez.
    martinjaramilloperez@gmail.com

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