¿Se expandirá el Universo para siempre?

¿Qué es la misteriosa energía oscura que está causando la expansión del Universo acelerada?. ¿Es alguna forma de la famosa constante cosmológica de Einstein, o es una fuerza exótica repulsiva, apodada “quintaesencia”, que podría formar tres cuartas partes del cosmos?. Científicos del Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y del Dartmouth College creen que hay una forma de encontrarlo.

En un artículo publicado en Physical Review Letters, el físico Eric Linder de Berkeley Lab y Robert Caldwell de Dartmouth muestran que los modelos físicos de energía oscura pueden ser separados en distintos escenarios, los cuales pueden usarse para descartar la constante cosmológica de Einstein y explicar la naturaleza de la energía oscura. Lo que es más, los científicos deberían ser capaces de determinar cuál de estos escenarios se ajusta a los experimentos que están planeándose para la misión JDEM propuesta por NASA y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

“Los científicos han estado discutiendo la cuestión ‘¿con qué precisión necesitamos medir la energía oscura para saber lo que es?’”, dice Linder. “Lo que hemos hecho en nuestro artículo es sugerir límites de precisión para las medidas. Con suerte, estos límites deberían estar en el rango de los experimentos del JDEM”.

La Sonda Supernova/Aceleración (SNAP)

Linder y Caldwell son ambos miembros del equipo de definición científico DOE-NASA para el JDEM, que tiene la responsabilidad de definir los requerimientos científicos de la misión. Linder es el jefe del grupo de teoría para el SNAP — la SuperNova/Acceleration Probe (Sonda Supernova/Aceleración), uno de los vehículos propuestos para transportar la misión JDEM. Caldwell, profesor de física y astronomía en Dartmouth, es uno de los creadores del concepto de quintaesencia.

En su artículo de Physical Review Letters Linder y Caldwell describen dos escenarios, uno al que llaman “deshielo” y otro al que llaman “congelación”, que apunta a diferentes destinos de nuestro Universo en permanente expansión. Bajo el escenario de deshielo, la aceleración de la expansión decrecerá gradualmente y finalmente se detendría, como un coche cuando el conductor levanta el pie del pedal del acelerador. La expansión continuaría más lentamente, o el Universo podría incluso recolapsar. Bajo el escenario de congelación, la aceleración continúa indefinidamente, como un coche con el pedal del acelerador pisado a fondo. El Universo se convertiría cada vez en más difuso, hasta que finalmente nuestra galaxia parecería estar sola en el espacio.

Cualquiera de estos dos escenarios descarta la constante cosmológica de Einstein. En su artículo Linder y Caldwell demuestran, por primera vez, cómo separar limpiamente la idea de Einstein de otras posibilidades. Bajo cualquier escenario, sin embargo, la energía oscura es una fuerza con la que hay que contar.

Dice Linder, “Dado que la energía oscura compone aproximadamente el 70 por ciento del contenido del Universo, esta predomina sobre la materia. Esto significa que la energía oscura gobernará la expansión y, en último término, determinará el destino del Universo”.

En 1998, dos grupos de investigación agitaron en campo de la cosmología con sus anuncios independientes de que la expansión del Universo estaba acelerando. Midiendo el desplazamiento al rojo de la luz de las supernovas de tipo Ia, estrellas del espacio profundo que explotaron con una energía característica, equipos del Proyecto Cosmológico Supernova con sede central en Berkeley Lab y el Equipo de Búsqueda de Supernova Alta-Z centrado en Australia determinaron que la expansión del Universo está en realidad acelerando, no decelerando. A la fuerza desconocida que está tras esta aceleración se le dio el nombre de “energía oscura”.

Antes del descubrimiento de la energía oscura, la suposición científica convencional sostenía que el Big Bang había provocado una expansión del Universo que gradualmente iría decelerando por el efecto de la gravedad. Si la cantidad de materia en el Universo proporciona la suficiente gravedad, un día la expansión se detendría por completo y el Universo retrocedería sobre sí mismo en un Big Crunch. Si la gravedad de la materia fuese insuficiente para detener la expansión por completo, el Universo continuaría expandiéndose para siempre.

“De los anuncios de 1998 y posteriores medidas, sabemos que la expansión acelerada del Universo no comenzó hasta algún momento en los últimos 10 mil millones de años”, dice Caldwell.

Los cosmólogos están ahora discutiendo para determinar qué es exactamente la energía oscura. En 1917 Einstein corrigió su Teoría de la Relatividad General con una constante cosmológica, la cual, si el valor era correcto, permitiría al Universo existir en un estado de equilibrio perfecto estático. Aunque uno de los más famosos físicos de la historia llamaría al agregado de esta constante su “mayor error”, el descubrimiento de la energía oscura ha revivido esta idea.

“La constante cosmológica era una energía del vacío (la energía del espacio vacío) que impide que la gravedad repliegue el Universo sobre sí mismo”, dice Linder. “Un problema con la constante cosmológica es que es constante, con la misma densidad de energía, presión, y ecuación de estado todo el tiempo. La energía oscura, sin embargo, habría sido insignificante en las primeras etapas del Universo; de otra forma las galaxias y todas sus estrellas nunca se habrían formado”.

Para que la constante cosmológica de Einstein diera como resultado el Universo que vemos hoy día, la escala de energía tendría que ser muchas órdenes de magnitud más pequeñas que cualquier otra cosa en el Universo. Aunque esto puede ser posible, dice Linder, no parece que sea probable. Aquí entra el concepto de “quintaesencia”, llamado así por los antiguos griegos al quinto elemento tras el aire, tierra, fuego, y agua; creían que era la fuerza que sostenía la Luna y las estrellas en su lugar.

“La quintaesencia es una forma de energía dinámica, que evoluciona con el tiempo, y dependiente espacialmente con presión negativa suficiente para conducir la aceleración de la expansión”, dice Caldwell. “Mientas que la constante cosmológica es una forma de energía muy específica — energía del vacío — la quintaesencia abarcaba un amplio rango de posibilidades”.

Para limitar las posibilidades de la quintaesencia y proporcionar objetivos firmes para pruebas básicas que también confirmarían su candidatura como fuente de la energía oscura, Linder y Caldwell usaron un campo escalar como modelo. Un campo escalar posee una medida de valor pero no dirección para todos los puntos del espacio. Con esta aproximación, los autores son capaces de mostrar la quintaesencia como un campo escalar rebajando su energía potencial a un valor mínimo. Pensar en un conjunto muelles bajo tensión y ejerciendo una presión negativa que contrarresta la presión negativa de la gravedad.

“Un campo escalas de quintaesencia es como un campo de muelles cubriendo cada punto del espacio, con cada muelle comprimido en una longitud diferente”, dice Linder. “Para la constante cosmológica de Einstein, cada muelle tendría la misma longitud y no tendría movimiento”.

Bajo el escenario de “deshielo”, la energía potencial del campo de quintaesencia estaría “congelado” en el lugar hasta que la decreciente densidad de material de un Universo en expansión la liberaría gradualmente. En el escenario de “congelación”, el campo de quintaesencia ha estado tendiendo hacia su mínimo potencial desde que el Universo experimentó la inflación, pero cuando comenzó a dominar el Universo se convirtió gradualmente en un valor constante.

La propuesta de SNAP está en investigación y desarrollo por parte de los físicos, astrónomos e ingenieros de Berkeley Lab, en colaboración con colegas de la Universidad de California en Berkeley y otras muchas instituciones; esto requiere de un telescopio reflector de 3 espejos y dos metros en órbita de espacio profundo que sería usado para encontrar y medir miles de supernovas de tipo Ia cada año. Estas medidas deberían proporcionar suficiente información para aclarar el punto del escenario de deshielo o congelación — o algo completamente nuevo y desconocido.

Dice Linder, “Si los resultados de medidas tales como estas que pueden hacerse con SNAP caen fuera del escenario de deshielo o congelación, entonces tendríamos que mirar más allá de la quintaesencia, quizá incluso a una física más exótica, tal como una modificación de la Teoría de la Relatividad General de Einstein para explicar la energía oscura”.


Fecha Original: 2005-09-01

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