El enigma de la energía oscura

Quería titular la entrada “El conundro de la energía oscura” pero como sé que a muchos no os gustan los “palabros” que pululan por este blog, he preferido una traducción más correcta del término anglófono “conundrum.” Aún así no me he podido resistir a comentarlo.

¿Qué es la energía oscura? Dices mientras clavas en mi pupila tu pupila azabache. ¡Qué es la energía oscura! ¿Y tú me lo preguntas? La energía oscura es parte de tí.

En la teoría de la gravedad de Newton la única fuente de la gravedad es la masa. La equivalencia entre masa y energía en relatividad (E=mc²) nos lleva a pensar que las únicas fuentes de gravedad en la teoría de Einstein son la masa y la energía. No es así. La presión también puede ser fuente de gravedad. Imaginar una masa negativa o una energía negativa parece imposible. Sin embargo, una presión negativa parece comprensible. La energía oscura corresponde a la presión negativa del vacío sobre el espaciotiempo, presión negativa que genera antigravitación o repulsión gravitatoria. La teoría de Einstein permite que la presión sea fuente de gravedad porque forma parte del tensor de esfuerzo-energía completo, con todas sus componentes, la fuente de la gravedad relativista. Para una fluido perfecto la presión es fuente de gravedad ya que el tensor de esfuerzo-energía toma la forma

T^\mu_{\phantom{\mu}\nu}=(\rho+p)\,u^\mu u_\nu -p \,\delta^\mu_\nu,

donde p es la presión, \rho es la densidad de la materia, u^\mu es la (tetra-)velocidad unitaria, tal que u^\mu u_\mu=1 (he tomado la velocidad de la luz c=1). En la teoría de Newton de la gravedad el potencial gravitatorio para un fluido perfecto cumple con la ecuación de Poisson con la densidad de materia como fuente,

\triangle V=4\pi G\rho,

donde G es la constante de gravitación universal de Newton. Para velocidades bajas la teoría de Einstein se reduce a la teoría de Newton y toma la forma

\triangle V + \Lambda = 4 \pi G\, (\rho + 3 \, p),

(ecuación obtenida por primera vez por el italiano Tullio Levi-Civita). Esta ecuación muestra que la fuente de campo gravitatorio para un fluido perfecto es la combinación \rho +3\, p. El término de constante cosmológica \Lambda es muy pequeño y despreciable. Para un gas de fotones, partículas sin masa que se mueven a la velocidad de la luz con una energía dada, se tiene que 3\,p=\rho, con lo que la teoría de la relatividad predice una fuerza gravitatoria con un valor doble del predicho por la teoría newtoniana.

Muchas veces se asocia la energía oscura a la constante cosmológica, el término Λ, que corresponde a una densidad de energía constante que reside en el vacío. Esta idea resulta “extraña” ya que cuando el espaciotiempo se expande no es fácil explicar por qué la constante cosmológica permanece constante. Para que así ocurra, debe haber un término que compense sus cambios exactamente. El término más natural es la presión negativa del vacío. Esta presión negativa ejerce una fuerza repulsiva que acelera la expansión del universo. Pero si tenemos que introducir una presión negativa para explicar el origen de la energía oscura gracias a una constante cosmológica, por qué no consideramos que esta constante es nula y que existe alguna fuente de presión negativa asociada al vacío. Parece obvio, pero no es tan fácil. La fuente de presión negativa debe ser dinámica y llevaría a una evolución de la energía oscura que provocaría variaciones de la tasa de expansión del universo.

La energía oscura o la aceleración de la expansión cósmia es uno de los enigmas más importantes no solo en cosmología sino también en física teórica. Sin una teoría que la explique nuestro único recurso es el experimento. La evidencia de la energía oscura no solo se limita a las supernovas Ia y al fondo cósmico de microondas, el modelo cosmológico de consenso con energía oscura recibe confirmación cada vez que se le pone a prueba. En el año 2010, Schrabback y sus colegas estudiaron la región del universo continua más grande estudiada por el telescopio espacial Hubble, el campo de fondo COSMOS (Cosmic Evolution Survey) que contiene unas 400.000 galaxias, buscando lentes gravitatorias débiles y confirmaron la aceleración de la expansión cósmica: el (75 ± 8) % del universo es energía oscura, con una ecuación de estado ω=p/ρ<-0’41 (90% CL), como nos contó Ana Lopes, “Astrophysics: Cosmic acceleration confirmed,” News and Views, Nature 464: 694, 1 April 2010, quien se hizo eco del artículo técnico de Tim Schrabback et al., “Evidence for the accelerated expansion of the Universe from weak lensing tomography with COSMOS,” Accepted in Astronomy & Astrophysics (ArXiv, 24 Mar 2010).

Cada año son más los resultados que confirman la existencia de la energía oscura y cada año es más difícil proponer modelos alternativos al modelo cosmológico de consenso. El año clave será 2012 cuando se publiquen los primeros datos del análisis del fondo cósmico de microondas por parte del satélite Planck de la ESA. Si se confirman las expectativas nos ofrecerá información sobre la época de la inflación cósmica que será de gran ayuda y ofrecerá pistas sobre el gran enigma de la energía oscura.

30 pensamientos en “El enigma de la energía oscura

  1. -.EL ENIGMA DE LA ENERGÍA OSCURA.-

    En Cosmología, se asocia la constante cosmológica a una densidad de energía que reside en el vacío, y ejerce una presión negativa que provoca una fuerza repulsiva que acelera la expansión del Universo.
    Para entrar en el enigma de la energía oscura, debemos considerar los fenómenos físicos que apreciamos en nuestro Universo, entre ellos está el campo magnético, que según los distintos estudios realizado, existe en el sol, en la tierra, en las estrellas, en el espacio interestelar, lo que es lo mismo en cualquier punto de nuestra galaxia, o cualquier otra que consideremos, y también se encuentra entre los espacios intergaláctico.
    Luego sí tenemos energía en el vacío y se aprecia que también existen campos magnéticos en cualquier punto del Universo, y de acuerdo con el electromagnetismo, que nos manifiesta que en todo campo magnético existe una fuente de energía, siendo la energía magnética la que constituye la fuente, no resulta absurdo, considerar que la energía oscura procede de los campos magnéticos.
    Bajo esta concepción de energía en el medio, que procede de los campos magnéticos, para poder interpretar correctamente muchos fenómenos en cosmología, debemos dar una nueva concepción al Universo. Esto es lo que intenta hacer la Teoría del Cladin, con varios artículos en la red.

  2. Hola Francis y lectores: Feliz Año Nuevo. Leyendo el principio de tu artículo me he parado a pensar que…………si la masa es fuente de la gravedad… entonces la gravedad es también fuente de masa…por lo menos a lo Newton. Y asimismo la gravedad es fuente de presion.
    La idea de una constante cosmológica, su efecto de presión negativa, parece poder ser sustituida por una “presión de creación” ( ver J.A.S. Lima et al. arXiv:0911.5727v1 astro-ph.CO 30 Nov 2009. Desde este punto de vista la constante cosmológica sería totalmente innecesaria, habría que hacerla identicamente nula, y la así llamada presión negativa asociada al vacío no sería mas que la presión de CREACIÓN, creación de masa.

    • EL ESPACIO Y LA GRAVEDAD
      Cuando un cuerpo acelera en el espacio, crea el efecto de inercia en sentido opuesto en la dirección donde se acelera, le llamo punto de gravedad.

      Si es el espacio el que se acelera, creará el mismo efecto.(gravedad)

      Ejemplo, en el primer segundo del universo, la esfera universal mediría 300.000 kilómetros de radio,en el 2º segundo 600.000 en el 3º segundo 900.000 kilómetros de radio, siendo la masa la misma, en una esfera que aumenta su volumen en densidad negativa. Una esfera de un metro de radio (la capasidad es 1000 litros) (de dos 8000 litro) (de tres 27000 litros) y así sucesivamente. Aplicando la misma formula al radio del universo dado por la velocidad de la luz. Por lo tanto es una aceleración hacia el vacío. el vacío no es constante, y es acelerado por el radio de la esfera universal en cada momento. EL vacío acelerado va hacia fuera, y el efecto va hacia dentro de cada maza. (gravedad)

      Principio de causa, efecto.

      No quiero extenderme mas. Si es de su interés puedo explicarle mucho mas Gracias por su atención Julián Luque c/ escuelas 24 montilla ( Córdoba) código postal, 14550, España,

      teléfono 957 651734 móvil 638017324
      ——————————————————
      ( MAS). el efecto de inercia es constante todo el tiempo que aceleramos, como si desaceramos, siempre en sentido opuesto a la dirección.
      (La gravedad es un efecto de inercia) debido al volumen constante del universo, la capacidad de la esfera universal aumenta al en cada ,momento. Matematicamente es una ecuación acelerada. (La aceleración es igual a inercia).(la inercia es igual a gravedad)

  3. A mí lo de Planck me tiene bastante cabreado. Es la diferencia entre la ESA y la NASA respecto a la transparencia en los datos que en el fondo pagamos todos. Podrían proporcionar datos preliminares un año antes, pero no. Es vergonzoso.

      • Sí, siempre hay que reducir los datos, pero, ¿durante tantos años? Con WMAP no tardaron tanto. Podrían perfectamente proporcionar datos preliminares y luego los definitivos.

  4. Por cierto, y ya que este blog está tan bien. ¿sería posible cambiar las CSS para que la tipografía sea más grande o que se pueda usar la lupa del navegador sin que la maquetación se vaya al traste?
    Algo así facilitaría enormemente la lectura de los textos.

    • Físico, no puedo cambiar el CSS pues uso los servicios gratuitos de WordPress.com y me niego, por convicción, a pagar por el derecho a cambiar el CSS. Tengo la posibilidad de, en todas las entradas, introducir código html que haga la letra más grande, pero creo que es más fácil para todos usar la lupa del navegador. A 125% se ve bien la letra en la pequeña pantalla de mi portátil (normalmente uso un monitor en el que a 100% yo lo leo bien).

      Lo siento, Físico.

      • Lamento oír eso y me extraña que no se pueda editar la CSS desde la propia aplicación. Supongo que lo han capado.
        En cuanto a la lupa, al menos en firefox, no funciona debido al tema usado. La columna central se hace más pequeña según crecen las laterales.
        Yo me plantearía cambiar de tema, ya que además éste no es bonito, pero es una opción personal y de gustos.
        Además la elección que proporcionan los de wordpress es limitada.
        Por cierto, cuánto ha mejorado el hosting gratuito de wordpress. Estoy sorprendido. La última vez que experimenté con él iba a pedales.

        Un saludo

  5. excelente su blog,una pregunta ese valor de la ecuación de estado obtenido ω=p/ρ<-0’41 no estaría en desacuerdo con el modelo Lambda-CDM que indica que el valor de ω tiene que ser aproximadamente -1 para que la energía oscura sea considerada como una constante cosmológica.

  6. NO DEBEMOS OLVIDAR:
    – QUE LA “ENERGIA OSCURA” SE HA INTRODUCIDO, NO COMO CONSECUENCIA DE UNA MEDIDA DE LA EXPANSION ACELERADAS DEL COSMOS, ESTO HA SIDO UNA INTERPRETACION, EL DATO OBJETIVO ES LA NO PROPORCIONALIDAD ENTRE VELOCIDADES DE RECESION Y LAS DISTANCIAS MEDIDAS.
    -LA NECESIDAD DE INTRODUCIR LA “ENERGIA OSCURA” ES CONSECUENCIA DIRECTA DE LA HIPOTESIS DEL “PRINCIPIO COSMOLOGICO” EL COSMOS ES HOMOGENEO,ISOTROPICO DESDE TODOS SUS PUNTOS, NO TIENE UN CENTRO TODOS SUS PUNTOS SON CENTRO DEL COSMOS.
    -PERO ESTA MISMA HIPOTESIS CONVIERTE EN INUTIL A LA ENERGIA OSCURA,CUALQUIER GALAXIA SERIA ISOTROPICAMENTE REPELIDA POR LA ENERGIA OSCURA EN TODOS LOS SENTIDOS, DANDO UNA RESULTANTE NULA, INCAPAZ DE PRODUCIR NINGUNA ACELERACION.

    • Bueno….la frase de que “cualquier galaxia sería isotropicamente repelida por la energía oscura en todos los sentidos, dando una resultante nula, incapaz de producir ninguna aceleración” no parece considerar que realmente las galaxias estan inmersas en un “medio” que es el que realmente se “estira” o se expande aceleradamente. Y sin embargo el principio cosmológico se sigue cumpliendo….

  7. @ Físico #3

    a)Planck alcanzó el segundo punto lagrangiano sólo en julio de 2009.
    b)Lo que se hace público el día 11 son los resultados preliminares que demandas. En este caso los datos preliminares son el ruido que se ha quitado, pero encierra muchísimas cosas interesantes, por eso es un Catálogo de Fuentes (miles de fuentes que emiten desde el infrarrojo lejano a radio).

  8. Bueno, no me acuerdo si ya lo he dicho por aquí, pero pienso que la posible creación de materia generaría una presión de expansión que puede ser idéntica al conocido efecto de una constante cosmológica,que es “equivalente” a la energía oscura. Como la energía oscura nadie sabe seguro ni lo que es, ni la ha visto, ni interacciona con nada conocido (de momento) y por eso es tan oscura, claramente está en las mismas condiciones que su equivalente de una creación de materia, que nadie ha visto tampoco. Cre4o que lo importante es tomar seriamente lo de la energía oscura, que ya se está tomando e invirtiendo mucho esfuerzo y presupuestos en ello, pero además creo que algo parecido habría que hacer con la creación de materia…..

    • Antonio,

      Hace años, cuando vi la ‘explicación’ del desplazamiento al rojo de los espectros, en base a la ‘expansión’ del propio universo, aparte de su comprobación (La mejor, la predicción del fondo de microondas, en espectro y temperatura, en base al tiempo estimado de la constante de Hubble, y la energía precisa en aquellas primeras fases ), me surgieron preguntas, que no he visto que aborde nadie.

      ¿Como afecta a nuestros principios de conservación de energía, materia, de simetrías en espacio-tiempo, etc, un ‘espacio que esta apareciendo ‘ de la nada?.

      He leído tu frase: “pero pienso que la posible creación de materia generaría una presión de expansión que puede ser idéntica al conocido efecto de una constante cosmológica”

      Apunta en esas preguntas mias, ya casi antiguas.

      No he visto nada que indague en eso en el ‘mainstream’, ‘aceptan’ la expansión, ‘porque si’, de ahí sacan el ‘efecto doppler’, etc, etc,,,,,,

      Un espacio que se está creando de la nada (¿Y no se está creando materia, neta, no por indeterminación cuántica, sino neta, de la nada?), deberia afectar mucho mas profundamente nuestras leyes.

      Saludos.

      • Javier,

        “Un espacio que se está creando de la nada (¿Y no se está creando materia, neta, no por indeterminación cuántica, sino neta, de la nada?), deberia afectar mucho mas profundamente nuestras leyes.”

        Una cuestión dificil….. Veamos: las unidades de Planck resultan de la combinación de G, c y h. En particular, la longitud de Planck es (Gh/c^3)^1/2 del orden de 10^(-33) cm. Entonces un cubo con este lado es una célula de Planck, que con G = c = 1, por ejemplo, resulta cada cara con un área igual a h. Este es el espacio de las fases de la termodinámica estadística. El cubo de Planck es en realidad un agujero negro cuántico, cumple con la condición de Schwarszchild 2Gm/c^2 = longitud de planck y la de de Broglie, esta longitud es igual a su longitud de onda h/mc. La cuestión es que recientemente se ha trabajado mucho en conjuntos causales (causal sets), que forman cadenas de crecimiento progresivo….. En particular un agujero negro cuántico de Planck puede desarrollar un conjunto causal en crecimiento progresivo: y este puede ser un crecimiento horizontal y a la vez vertical………… Lo rellenas como quieras, por réplica de bits por ejemplo, y ya tienes las propiedades básicas de nuestro universo…………En fín, para empezar te refiero al matemático Gudder que ha desarrollado gran parte de esto. Saludos. Antonio

  9. ¿Sería un metabolismo cromático lo que activara el engranaje el universo?
    ¿Si no viéramos realmente nada, no veríamos ni la propia oscuridad?
    Cuando miro el universo por la noche veo un fondo negro, salpicado por unos puntitos blancos que contrastan con dicho fondo.
    El negro por naturaleza es absorbente, el blanco emanante, o sea que son opuestos, y sin embargo se complementan, es como si uno diera razón de ser al otro.
    ¿Y si el cosmos funcionara igual?
    Un negro absorbente de forma indefinida e ilimitada contra unos puntitos blancos con formas definidas y limitadas.
    Si lo emanante poco a poco se agota (todas las estrellas tienen una vida limitada), como consecuencia el fondo negro es cada vez más oscuro, su tonalidad es más intensa y debido a ello su absorción aumenta.
    Si todo lo que se consume es limitado, la oscuridad se impondría tarde o temprano.
    El fondo negro, al ser más intenso, absorbe más rápido: en consecuencia las galaxias se separan cada vez más velozmente.
    Los fotones cada vez más difuminados producto de las formas emanantes ya consumidas, están limitados a una velocidad límite: la de la luz.
    La absorción oscura podría superar la velocidad de la luz, la relatividad no la afecta ya que esta absorción no depende de la materia ni de la energía sino de su propio cromatismo.
    Sería una fuerza producida por su propio contraste cromático de absorción frente a otra totalmente opuesta de emanación.  Como consecuencia, todas las correlaciones siguientes que pertenecen a cada uno, también han de ser contrarias.
    Un fotón emanante con velocidad limitada ha de ser de efectos contrarios al fondo que lo absorbe; como opuesto la absorción no ha de tener límite de velocidad.
    Si el fondo es más rápido que el fotón la luz que emite no se propaga, ya que correría más lenta, se emitiría pero no se propagaría. A partir de aquí en el universo se impondría la oscuridad.
    Pero un fondo oscuro por el mero hecho de ser oscuro no puede dejar de absorberse respecto a si mismo, las galaxias se expanden debido a su absorción, no porque ellas se muevan.
    La absorción cromática ha de poseer un tono, matiz e intensidad y como consecuencia también una saturación.
    Si el fondo negro oscuro llegara a saturarse, es decir que no admitiera mas  color debido a una intensidad muy elevada de su propia oscuridad, ¿qué pasaría con la absorción sobrante?
    ¿Podría producirse una presión de la saturación contra la absorción?
    Toda presión genera calor. Un fondo oscuro ilimitado con tonalidad negra saturada, donde reina un frío sino casi absoluto, produciría una presión contra su propia absorción, condensaría la temperatura reactivándose en calor.
    Sería un Big Bang en todo el espacio y no en un punto del espacio, es absurdo explotar en un punto del espacio cuando se tiene todo un espacio para hacerlo.
    Debido a este proceso el universo puede depurarse contra la entropía o esparcimiento de la materia limitada, al enfrentarse contra su propio contraste, este espacio infinito e ilimitado y que mejor representado que su propia oscuridad.
    La oscuridad se manifiesta ante nosotros sin gastar energía, pagamos recibo de luz pero no de oscuridad, sino consume no gasta como consecuencia de ello puede ser eterno.
    En un cuarto oscuro perdemos la noción de la forma, prueben de darle un volumen a la oscuridad: el resultado es infinito.
    El universo se compone de dos partes, opuestas y complementadas: una como estado infinito e ilimitado una oscuridad absorbente repulsiva a la gravedad, y otra emanante con elementos finitos y limitados, materia-energía afectada por la gravedad.
    El hecho de depurarse respeta la 2º ley de la termodinámica ya que no es lo mismo  que destruirse.
    Aparte de las fuerza fundamentales que rigen el cosmos, resolveríamos muchas dudas si tuviéramos en cuenta la fuerza del contraste cromático que se produce en él.
    El color es independiente de la materia y de la energía. Es tono, intensidad y satuación. Es cromatismo.
    Esta teoría es válida si se admitiera que el color fuera independiente del cerebro y no una sensación creada dentro él.
    La evolución no admite creaciones. ¿A caso no sería egocéntrico decir que el color es solo una creación exclusiva del cerebro? Al igual que la materia, la energía y el vacío, ¿por qué no puede formar parte del patrimonio universal?

    “www.cromacosmoswordpress.com”

    • Estas completamente equivocado esta claro que no fue un metabolismo cromático lo que activo el engranaje del universo. Se sabe gracias al trabajo del profesor Hubert J. Farnsworth1 que fue simplemente un catabolismo odorífero, es decir “un pedo de Dios”.

      1) Hubert J. Farnsworth (3001). “The Smelloscope, a device that allows people to smell distant cosmic objects” (PDF). Science. doi:10.1126/science.11972580. PMID 211272140.

  10. Y si en vez de un catabolismo odorífero porqué no un catabolismo cromático? ¡Vaya con el profesor Hubert !!!.
    ¿Porqué hemos de partir siempre de una partícula para buscar el origen del universo?
    Que la física de partículas sea una consecuencia del universo ello no incumbe que sea también la posible causa.
    ¿Acaso el origen de dicha consecuencia no podría tratarse de un estado totalmente ajeno a lo que se postula en la física cuántica?
    ¿No estaría de menos analizar otras sensaciones que podamos percibir en nuestro entorno?
    Eínstein decía que el razonamiento es limitado y que la imaginación abarca el mundo entero.
    Razonar o comprender e aquí la cuestión.
    cromacosmos.

  11. La manera más sencilla de entender el término cosmológico es con un potencial de oscilador armónico con el signo contrario al habitual de la ley de Hooke para el factor de escala R. V=-\Lamda/6 \cdot R². La cuestión que más me intriga de esta simple interpretación es que la constante lambda tendría entonces una interpretación microscópica del estilo de la Física del Estado Sólido. Y el por qué debe ser positiva y no negativa sería algo a entender de manera más profunda, porque en la ley de Hooke normal el punto es que la al deformar el “muelle” u “oscilador” éste quiere volver a la posición inicial, con un término como éste, es todo lo contrario y hallarse fuera de la posición de equilibrio, un efecto chocante desde el punto de vista dinámico. ¿Por qué?

    • Juan, eso es un oscilador con ganancia positiva mayor de la unidad.

      Pero yo apunto a algo mas básico, mas profundo.

      Lo que antes he comentado con Antonio Alfonso Faus.

      La ‘expansión ‘ del universo, aceptada (Pues ha predicho datos como el fondo e de microondas, con grandes detalles salidos de campos absolutamente ajenos en principio, como la física de partículas), se lleva usando de modo ‘clásico’, derivando efecto doppler, alejamientos, etc.

      Pero nunca he visto un estudio profundo sobre como puede estar afectando eso a nuestras leyes básicas, con un ‘espacio apareciendo de la nada’, por ejemplo, en los propios átomos de los que estamos compuestos.

      O a la posible creación de materia (Creo recordar que si aplicamos la in-varianza de Lorentz a sistemas acelerados en los que se observa la radiación del punto cero, la del efecto Casimir cuántico, no térmico, predice la aparición en ese sistema acelerado, de partículas virtuales netas, pero no estoy ahora seguro de ésto, el articulo lo tengo lejos de aquí ahora, lo traeré), como apunta mi tocayo (Javier es mi 2º nombre).

      Saludos.

  12. 14/12/ 2011: Mi comentario coincide con la publicación de la pregunta que se hace Luis E.Ibáñez: ¿Cuál es el origen de la masa de las cosas? Creo que ahí reside la esencia del interrogante que sigue siendo razón de ser de la inacabable búsqueda en ciernes (LHC). No hay primera partícula, que dota de masa o genera formaciones al respecto. Ni hay primeras estrellas. Hay, sí, la totalidad cósmica de un “algo” material caóticamente ondulable esferoidalmente, todavía indetectable, generador de todas las (masas) formas y fenómenos sean o no mensurables (materia negra, oscura, visible). Gravitación y extensión son efecto originado por la tensión creada entre la quiertud del fondo y la contracción ondulatoria que da forma “puntual” (“bosón” ¿?”) a una intensísima condensación de movimiento siempre en trance de su dilatación vía final de un agujero negro..

  13. yo pienso que en cuanto a la ley de que toda la materia ya esta creada hay un terrible error, la materia se sigue creando diariamente, o si no deja un objeto en condiciones normales sobre la tierra y luego de un tiempo aparece enterrado, como explicar esto, sencillo, la materia se auto crea y nadie ha pensado en este fenómeno, de ahí creo que se puede partir para explicar la expansión del universo que es sencillamente un aumento de masa y por consecuencia un aumento entre diferencia de gravedades y posteriormente una aumento entre la distancia de la masa, igual a lo que le sucedería a unos imanes pequeños de la misma carga al transformarlos en imanes de mayor masa.

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