Los datos Pan-STARRS sobre la energía oscura a 2,4 sigmas de la constante cosmológica

Dibujo20131022 cosmological constraints using Pan-STARRS-lz - planck - bao - hubble measurements

No sabemos qué es la energía oscura. Si se trata de la constante cosmológica de Einstein entonces su ecuación de estado es ω=p/ρ=−1, pero si se trata de la quintaesencia sería ω≠−1. Los datos cosmológicos Planck+WP+highL+BAO indican que ω=−1,13±0,25. Los últimos resultados sobre supernovas Ia de Pan-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System) indican que  ω=−1,186±0,076 (valor combinado Pan+BAO+Planck+H0), que está a 2,4 sigmas de ω=−1. Por supuesto, todavía se trata de un estudio preliminar pues sólo se han estudiado 146 supernovas de tipo Ia (0,03 < z < 0,65) descubiertas durante los primeros 1,5 años de Pan-STARRS. Y además, no se trata de ninguna sorpresa, pues el valor ω≠−1 depende sobre todo de los datos cosmológicos; el valor de Pan-STARRS sin combinar es ω=−1,015 ± 0,319 (stat) ± 0,164 (syst), perfectamente compatible con ω=−1. Habrá que esperar al análisis completo de todos los datos que Pan-STARRS, que recabará datos de un número tres veces mayor de supernovas, y por supuesto a la nueva medida cosmológica de ω que se obtendrá en junio de 2014 con la publicación del mapa de la polarización del fondo cósmico de microondas por el telescopio espacial Planck de la ESA. Por todo ello, los cosmólogos seguirán pensando que la constante cosmológica es la responsable de la energía oscura. El artículo técnico es Armin Rest et al., “Cosmological Constraints from Measurements of Type Ia Supernovae discovered during the first 1.5 years of the Pan-STARRS1 Survey,” arXiv:1310.3828 [astro-ph.CO], 14 Oct 2013.

Sigue leyendo

El método científico, la energía oscura y la importancia de la quintaesencia

Dibujo20130101 expansion history universe - deceleration - acceleration

El estudio de diferentes modelos es beneficioso para la salud de la ciencia empírica, que no puede demostrar la veracidad de una hipótesis, solo refutar sus alternativas. Más aún, estas alternativas permiten identificar las hipótesis que se asumen de forma implícita durante el análisis de los datos experimentales y diseñar estrategias para su contrastación. El Modelo Cosmológico Estándar asume que la aceleración de la expansión del universo es debida a la adición de una constante cosmológica a las ecuaciones de la gravedad de Einstein para un universo copernicano (espacialmente homogéneo e isótropo a grandes escalas). Sin embargo, la teoría de la relatividad general no ha sido validada de forma independiente en las escalas en las que sucede la aceleración del universo, por ello existen alternativas teóricas. Nos lo recuerda con cierto detalle Miguel Zumalacárregui Pérez, “Probing the foundations of the standard cosmological model,” Tesis Doctoral, IFT/UAM, Oct. 2012.

Hay varias propuestas para detectar desviaciones respecto a la relatividad general a gran escala, destacando el proyecto Euclides de la ESA (Euclid Spectroscopic Survey), como nos contó Elisabetta Majerotto, “Probing deviations from General Relativity with the Euclid spectroscopic survey,” Invisibles pre-meeting, Madrid, 28th-29th of March 2012 [slides]; Elisabetta Majerotto et al., “Probing deviations from General Relativity with the Euclid spectroscopic survey,” arXiv:1205.6215. La información técnica sobre la misión de la ESA en “Euclid definition study report,” Red Book, Sep 2011.

Hoy en día se pueden descartar con bastante seguridad los modelos inhomogéneos no copernicanos, en los que nuestra galaxia está situada en un lugar especial del universo, cerca del centro de una región “vacía” (con menor densidad de materia), pues no son compatibles con todas las observaciones cosmológicas (salvo si se introducen ajustes muy finos). Ya lo comentamos en este blog en “La energía oscura del universo “vence” a la teoría del vacío cósmico local,” feb. 2009; y en”¿Realmente la expansión del universo se está acelerando? (o nunca hay que descartar otras hipótesis),” marzo 2008.

Una posibilidad aún viva son los modelos de quintaesencia, en los que se se incorpora un campo escalar a la ecuaciones de Einstein, compatible con la covariancia general de la teoría. El campo escalar contribuye a la expansión del universo mediante su potencial, que actúa como una constante cosmológica efectiva, por lo que la quintaesencia se asemeja mucho a una constante cosmológica y es muy difícil distinguir entre ambas posibilidades. Por supuesto, el campo escalar puede afectar a la formación de estructuras a gran escala en el universo, aunque se pueden ajustar sus parámetros de forma adecuada para casar con las observaciones. También hay variantes en las que el campo escalar no se acopla con la materia, solo a la curvatura, gracias a introducir ciertas auto-interacciones no lineales en el campo, lo que minimiza este problema. Sin embargo, se espera que los datos precisión sobre el fondo cósmico de microondas obtenidos por el satélite Planck puedan inferir un duro golpe a la quintaesencia en 2013, o por el contrario revitalizarla.

La tesis doctoral de Miguel Zumalacárregui Pérez me gusta porque destaca la gran importancia que tiene analizar todos los datos cosmológicos disponibles utilizando modelos alternativos al Modelo Cosmológico Estándar, ya que permite validar sus fundamentos y explorar sus límites de validez. “El estudio de teorías alternativas aporta ejemplos que permiten entender mejor el paradigma convencional, enriqueciendo el conocimiento que se tiene sobre él y las técnicas disponibles para su análisis.”

Los resultados de la misión WMAP de la NASA tras 9 años de observación

Dibujo20121220 wmap-9 spectrum tt and te

El satélite WMAP (Wilkinson MAP) de la NASA estudia el fondo cósmico de microondas (CMB) desde hace 9 años. Los resultados para un ajuste al modelo de consenso ΛCDM con 6 parámetros libres gracias WMAP-9 (combinado con eCMB+BAO+H0) son: el (4,628 ± 0,093)%  del universo es materia bariónica; el (24,02 ± 0,88)% del universo es materia oscura (fría); el (71,35 ± 0,96)% es energía oscura (supuesta resultado de una constante cosmológica, o sea, con ω=−1); el índice espectral escalar es 0,9608 ± 0,0080; el universo es plano Ωk = −0,0031 ± 0,0039, con |Ωk| < 0,0094 al 95% CL (suponiendo Ωk > 0, se obtiene Ωk < 0,0062 al 95% CL). Todas las anisotropías observadas son gaussianas, como predice la teoría de la inflación. El número de neutrinos es 3,26 ± 0,35  3,84 ± 0,40 (valor corregido el 30 de enero de 2013 porque había un error en el análisis), con una masa total < 0,44 eV al 95% CL. En cuanto a la ecuación de estado de la materia oscura se obtiene −1,162 < ω < −0,983 (compatible con una constante cosmológica). La edad del universo es de (13,772 ± 0,059) Gyr (miles de millones de años). La constante de Hubble es (69,32 ± 0,80) km/s/Mpc. Los interesados en más detalles pueden consultar la tabla 17 de la página 128 del artículo técnico de C. L. Bennett et al., “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results,” arXiv:1212.5225, 20 Dec 2012 [más información]; G. Hinshaw et al., “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results,” arXiv:1212.5226, 20 Dec 2012.

Sigue leyendo

Breve homenaje a Pedro F. González Díaz y su “energía fantasma”

Dibujo20121210 pedro felix gonzablez diaz y su libro cuentos de ninyos y fantasmas

“Los poetas verdaderos tienen pasaporte para viajar por el tiempo, hacia delante o hacia atrás, y visitar todas las épocas pasadas y futuras, siguiendo posiblemente los mismos cánones que las partículas más elementales y los campos de fuerza …” (Pedro F. González-Díaz).

El 7 de julio de 2012 falleció Pedro Félix González Díaz, profesor de Investigación en el Instituto de Física Fundamental (IFF) del CSIC. Licenciado en Ciencias Químicas en la Universidad de Granada en 1970, obtuvo el doctorado en Ciencias en la Universidad Complutense de Madrid en 1974. Ingresó en la plantilla científica del Instituto de Óptica del CSIC en 1975, donde derivó su investigación hacia la Física Teórica, con énfasis en la Relatividad General. En 1983 dedujo una cota entre la entropía y el área de los sistemas cerrados, que hoy en día se conoce como la cota holográfica; Pedro generalizó la relación de Jacob D. Bekenstein S/E≤2πR de 1981 [1], para deducir [2] la cota holográfica general S/A≤1/4, cuya igualdad se cumple para los agujeros negros, S=A/4; como suele ocurrir muchas veces con logros de físicos españoles, esta cota holográfica es más conocida como cota holográfica de Bousso, tras su redescubrimiento por Raphael Bousso [3], quien citó a Bekenstein [1], olvidando a González-Díaz [2]. En 1992 se trasladó al Instituto de Matemáticas y Física Fundamental (IMAFF), precursor del IFF, donde en concentró en la gravedad cuántica, y la cosmología clásica y cuántica. En la última década se concentró en el problema de la energía oscura, la energía fantasma y la hipótesis del multiverso.

Los artículos más citados de Pedro [4-9], todos de su “año milagroso” 2004, se centran en su teoría cosmológica basada en la llamada “energía fantasma,” un nombre sugerente donde los haya. La expansión acelerada del universo puede interpretarse utilizando la llamada constante cosmológica, la energía de vacío, en cuyo caso la expansión acelerada es eterna. La ecuación de estado para la energía oscura en este modelo es ω=p/ρ=−1. Los resultados experimentales actuales (WMAP7+BAO+SPT+SN+H0) apuntan a que la ecuación de estado podría ser  ω≠−1, aunque próxima a este valor (el satélite Planck lo confirmará o refutará en marzo de 2013). En dicho caso, la energía oscura no se puede explicar con una constante cosmológica. Si  ω>−1, la energía oscura sería la quintaesencia, y si  ω<−1, la energía oscura sería la llamada “energía fantasma” (porque sería una energía de vacío para la que la suma de la densidad de energía más la presión daría un valor negativo (p+ρ<0) y, por ello, permitiría la existencia de objetos “patológicos” en el universo, como los agujeros de gusano). La ventaja del modelo cosmológico con “energía fantasma” es que puede explicar tanto la energía oscura como la materia oscura. El gran problema de este modelo cosmológico es que los datos experimentales actuales  (WMAP7+BAO+SPT+SN+H0) apuntan a un valor  ω>−1, aunque próximo a ω=−1. El propio Pedro nos contaba su modelo en “El colapso final del Universo no es inevitable gracias a la oscuridad del cosmos,” Tendencias Científicas, 21 junio 2003.

Lo que más me gusta de los artículos de Pedro es lo sugerente de los títulos de sus artículos: “¿Está el juicio final a la vuelta de la esquina?” [1]; “No hay que tenerle miedo a la “energía fantasma” [2]; “Termodinámica fantasma” [3]; “Futuro cósmico intemporal” [8]; “Energía oscura sin energía oscura” [10]; y estos son solo  algunos ejemplos.

Referencias

[1] Jacob D. Bekenstein, “Universal upper bound on the entropy-to-energy ratio for bounded systems,” Phys. Rev. D 23: 287–298, 1981.

[2] Pedro F. González-Díaz, “Bounds on the entropy,” Phys. Rev. D 27: 3042–3043, 1983.

[3] Raphel Bousso, “A covariant entropy conjecture,” Journal of High Energy Physics JHEP07: 004, 1999 [arXiv:hep-th/9905177].

[4] Pedro F. González-Díaz, “K-essential phantom energy: doomsday around the corner?,” Physics Letters B 586: 1-4, 2004 [arXiv:astro-ph/0312579].

[5] Pedro F. González-Díaz, “You need not be afraid of phantom energy,” Physical Review D 68: 021303, 2003 [arXiv:astro-ph/0305559].

[6] Pedro F. González-Díaz, Carmen L. Sigüenza,”Phantom thermodynamics,” Nuclear Physics B 697: 363-386, 2004 [arXiv: astro-ph/0407421].

[7] Pedro F. González-Díaz, “Axion phantom energy,” Physical Review D 69: 063522, 2004 [arXiv:hep-th/0401082].

[8] Pedro F. González-Díaz, “Achronal cosmic future,” Physical Review Letters 93: 071301, 2004 [arXiv:astro-ph/0404045].

[9] Pedro F. González-Díaz, José A. Jiménez-Madrid, “Phantom inflation and the “Big Trip”,” Physics Letters B 596: 16-25, 2004 [arXiv:hep-th/0406261].

[10] Pedro F. González-Díaz, “Dark energy without dark energy,” AIP Conf. Proc. 878: 227-231, 2006 [arXiv:hep-th/0608204].

La evolución de la energía oscura

Me ha gustado esta figura que ilustra muy bien que la energía oscura es un fenómeno “reciente” en la historia del universo. La energía oscura, la causa “desconocida” de la reciente expansión acelerada del universo, fue descubierta gracias a las supernovas de tipo Ia, pero hoy en día ha sido observada (confirmada) por muchos otros medios. Se trata de un fenómeno “reciente” ya que no se observa para corrimientos al rojo z>2. En la época de la recombinación, cuando el universo tenía unos 375.000 años y “cristalizó” el fondo cósmico de microondas, no había energía oscura en el universo. ¿Qué puede ser la energía oscura? La hipótesis más socorrida es que está asociada al vacío, a una especie de “antigravedad” asociada al vacío que se modela mediante una constante cosmológica como fuente, es decir, colocada en el miembro derecho de la ecuación de Einstein, en lugar de en el izquierdo, donde la colocó Einstein para lograr un universo estático. La NASA tiene un programa bastante completo para el estudio de la materia oscura y de la energía oscura, como nos cuenta Neil Gehrels, “NASA’s Dark Matter & Dark Energy Program,” NASA/GSFC, SpacePart12, Nov. 5, 2012 [slides, vídeo CDS]. Por cierto, el vídeo de la charla (media hora) está bastante bien y se centra en el futuro, tanto JWST como WFIRST.

El Telescopio del Polo Sur (SPT) confirma con 5,4 sigmas la existencia de la energía oscura

¿Qué nos deparará el fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el satélite Planck de la ESA? Por ahora, nos tenemos que conformar con los resultados de SPT (South Pole Telescope) que ha estudiado los picos acústicos del CMB entre 650 < l < 3000 (mucho más allá de WMAP7). La combinación WMAP7 + SPT muestra la existencia de la energía oscura con 5,4 sigmas de confianza estadística. Además, se confirma el modelo ΛCDM y se restringen fuertemente sus posibles extensiones. El efecto de lente gravitatoria del CMB se confirma a 8,1 sigmas con una amplitud de 0,86 ± 0,30 al 95% C.L., consistente con el modelo ΛCDM. El universo es plano con una curvatura media de 0,003 ± 0,018. El cociente entre perturbaciones tensoriales y escalares medido por WMAP7+SPT es r < 0,18 al 95% C.L. (recuerda que Planck llegará a r < 0,01 y que r=0 significa que no hay fondo cósmico de ondas gravitatorias). En mi opinión, lo más interesante se muestra en la figura que abre esta entrada; la línea discontinua es la predicción para el CMB y la línea continua añade las contribuciones del efecto Sunyaev-Zel’dovich (SZ) debido a la interacción del CMB con las grandes estructuras del universo; el acuerdo es espectacular (de hecho, para la región 2200 < l < 3000 se cree que la precisión de SPT será mayor que la de Planck). Una demostración más de que el modelo ΛCDM funciona mucho mejor de lo esperado. El artículo técnico es K. T. Story et al., “A Measurement of the Cosmic Microwave Background Damping Tail from the 2500-square-degree SPT-SZ survey,” arXiv:1210.7231, Subm. 26 Oct 2012. Recomiendo leer a Sean Carroll, “South Pole Telescope and CMB Constraints,” Cosmic Variance, 5 Nov 2012.

Sigue leyendo

La energía oscura y la imposibilidad de conocer el destino final del universo

Los autores de libros de divulgación se suelen llenar la boca hablando del futuro del universo. La filosofía tradicional en Relatividad General es que la geometría determina el destino del universo. Sin embargo, la existencia de una constante cosmológica (también llamada energía oscura) implica que la correspondencia uno-a-uno entre la geometría y la evolución del universo se ha perdido para siempre. La única manera de conocer el futuro del universo es descubrir cómo evoluciona la energía oscura y para ello necesitamos una explicación de su origen que nos permita saber cómo evolucionará en el futuro. La existencia de la energía oscura implica que no existen observaciones cosmológicas que se puedan realizar en la actualidad que nos permitan decidir sin ambiguedad cuál será el destino final del universo. Nos lo contaron Lawrence M. Krauss y Michael S. Turner, “Geometry and Destiny,” Gen. Rel. Grav. 31: 1453-1459, 1999 (gratis en ArXiv).

En la actualidad creemos que la ecuación de estado de la energía oscura es p = ω ρ, donde p es la presión, ρ la densidad y ω=–1. El problema es que pequeñas variaciones en el valor de ω, incluso tan pequeñas como una parte en mil (más allá de lo que podremos medir en las próximas décadas), acabarán dominando el futuro del universo a largo plazo. La única solución al problema será obtener una explicación microfísica al origen de la constante cosmológica capaz de predecir su evolución futura.

Premio Nobel de Física 2011: La energía oscura y la expansión acelerada del espaciotiempo

Ya tocaba y por eso, casi he acertado. El Nobel de Física ha recaído en el descubrimiento de la expansión acelerada del universo. La mitad del premio ha sido para Saul Perlmutter (Supernova Cosmology Project, LBNL y Universidad de California en Berkeley), nacido en 1959, y la otra mitad a partes iguales para Brian P. Schmidt (High-z Supernova Search Team, Universidad Nacional de Australia), nacido en 1967, y Adam G. Riess (High-z Supernova Search Team, Universidad de Johns Hopkins), nacido en 1969. Los tres laureados son norteamericanos. Mi última predicción de hace dos días era “Mi última apuesta es para Adam G. Riess (Universidad Johns Hopkins, Maryland) y Saul Perlmutter (Universidad de California) por el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando (Thomson Reuters los nominó en 2010). Pero ahora que lo pienso, quizás sean candidatos más firmes el año que viene, 2011, tras la publicación de los primeros datos del satélite Planck en marzo del año próximo.” Me he equivocado en esto último, les han dado el Nobel este año, sin esperar a la publicación de los primeros resultados del satélite Planck sobre el fondo cósmico de microondas y la energía oscura. “Written in the stars,” Information for the public. “Scientific Background,” Information for scientists.

Nadie sabe lo que es la energía oscura. Pero en 1998 se descubrió que algo está acelerando la expansión cósmica y a ese algo se le ha bautizado como energía oscura. Los dos grupos que han obtenido el Nobel utilizando supernovas de tipo Ia como candelas para medir grandes distancias en el universo. Sumando los resultados de ambos equipos se estudiaron unas 50 supernovas cuya luminosidad era más débil de la esperada según los modelos teóricos, por alguna razón parecía que estaban más lejos de lo esperado. La explicación más razonable era que la expansión del universo se estaba acelerando. Desde 1998 gran número de estudios cosmológicos han verificado la hipótesis de la energía oscura, que parece una hipótesis robusta, aunque nadie sepa realmente qué es.

Más en este blog sobre este apasionante tema: “El enigma de la energía oscura,” 4 enero 2011; “Las supernovas Ia son candelas estándar para medir distancias mucho más robustas de lo que se pensaba,” 30 junio 2010; “El problema de la energía oscura y el origen de las supernovas de tipo Ia,” 18 febrero 2010; “Energía oscura para torpes (o dark energy for dummies),” 23 septiembre 2009; “Espectaculares simulaciones de la explosión de una supernova tipo Ia,” 19 agosto 2008.

En este blog también nos hemos eco de opiniones en contra de la existencia de la energía oscura: “Nuevos datos de supernovas Ia indican que la energía oscura podría variar con el tiempo,” 13 abril 2009; “La gravedad cuántica como solución para la materia oscura y la energía oscura,” 24 junio 2009; “Nueva solución de las ecuaciones de Einstein explica la aceleración del universo sin necesidad de energía oscura,” 18 agosto 2009; “La energía oscura como resultado de las ondas gravitatorias de la inflación primordial,” 11 septiembre 2009; “El secreto de la energía oscura podría estar en el Modelo Estándar escondido tras el “fantasma de Veneziano”,” 17 septiembre 2009; “Se publica un artículo que contradice la evidencia de materia y energía oscuras en los datos de WMAP-5,” 18 junio 2010.

El año en el que la teoría del big bang estuvo a punto de morir

He recordado el año 1995 y el famoso editorial de John Maddox que ponía entre las cuerdas a la teoría del big bang (o de la gran explosión), tras leer el reciente artículo de Pallab Ghosh, “LHC results put supersymmetry theory ‘on the spot’,” BBC News, 27 August 2011, y ojear la charla de Hitoshi Murayama, “Why do SUSY in 2011?,” SUSY 11, 28-Aug-2011. El artículo en BBC News afirma que la supersimetría está pasando por malos momentos debido a los resultados recientes del LHC en el CERN y que los físicos más jóvenes se están decantando por otras teorías (“younger theoretical physicists are beginning to develop completely novel ideas because they believe supersymmetry to be “old hat”,” según Joseph Lykken del Fermilab). Quizás los lectores más jóvenes de este blog no se acuerden y convenga recordarles la historia.

John Maddox (al que dediqué un obituario en este blog, “John Maddox, Nature, y la mula Francis,” 15 abril 2009), el archifamoso editor de la revista Nature, tenía la buena costumbre de escribir unos editoriales que hicieron historia (y que a mí me gustaba mucho leer). Los más jóvenes quizás solo lo conocerán por su libro “Lo que queda por descubrir: una incursión en los problemas aún no resueltos por la ciencia, desde el origen de la vida hasta el futuro de la humanidad,” Debate, Madrid 1999 (si no conoces el libro, merece la pena).

En “Big Bang not yet dead but in decline,” Nature 377: 99, 14 September 1995, Maddox nos hablaba del artículo de N.R. Tanvir, T. Shanks, H.C. Ferguson, D.R.T. Robinson, “Determination of the Hubble constant from observations of Cepheid variables in the galaxy M96,” Nature 377: 27-31, 07 September 1995. Medidas obtenidas por el Telescopio Espacial Hubble en 1995 indicaban que había estrellas más viejas que el propio universo. La edad del universo se estimaba utilizando la constante de Hubble y la teoría de la gran explosión. El artículo de Tanvir et al. afirmaba que la constante de Hubble era H=69 ± 8 km/s/Mpc (un valor cercano al actual) pero que utilizando la teoría de la gran explosión (sin término de constante cosmológica) conducía a una valor de unos 10 mil millones de años para la edad del universo. Los modelos estelares indicaban que las estrellas más viejas tenían edades mayores de 13 mil millones de años. Como es obvio es imposible que el universo sea más joven que los objetos que contiene, por tanto la conclusión obvia es que la teoría de la gran explosión era incorrecta. Una terrible crisis para la cosmología que no resolvió hasta 1998, cuando el descubrimiento de la aceleración de la expansión cósmica gracias a las supernovas Ia resucitaron a la teoría de la gran explosión gracias a la existencia de la energía oscura. Las medidas más precisas de la edad del universo cuando se incluye el término de constante cosmológica indicaron que su edad era de unos 14 mil millones de años (gracias a WMAP ahora sabemos que es de unos 13,7 mil millones de años).

Ahora que alguna gente habla de que la supersimetría está a punto de morir no es mal momento para recordar que otras teorías “razonables” también han pasado épocas malas y han resurgido cual ave fenix con más fuerza y más energía.

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.