30 de septiembre de 2019
30.09.2019
Gaveta de Astrofísica
Coordinadora de sección: Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez

Demasiada oscuridad

Cada dos semanas, ciencia puntera hecha en Canarias o por canarios en todo el mundo

29.09.2019 | 23:02
Patricia Sánchez Blázquez

En los años ochenta los astrónomos desarrollaron lo que hoy se conoce como el modelo estándar de cosmología: un modelo basado en la teoría de la relatividad de Einstein que explica múltiples detalles de la evolución del Universo, desde poco después del Big Bang hasta hoy. Este modelo era capaz de explicar la formación de las galaxias y lo que llamamos la estructura a gran escala del Universo. Este término se refiere a que, cuando hacemos un mapa tridimensional de las posiciones de las galaxias en el cielo, estas no están distribuidas de manera aleatoria sino que se agrupan en filamentos que se entrecruzan entre sí dejando grandes vacíos.

Este modelo solo tenía un pequeño problema y era que, para poder reproducir las observaciones, era necesario incluir un nuevo tipo de materia exótica con una serie de características diferentes a la materia ordinaria que conocemos y de la que estamos hechos. No era necesario incluir tan solo un poco, sino que el 95% de la densidad de materia del Universo tenía que ser de este tipo. Entre las características de esta materia se incluía la de no interaccionar con la luz, por lo que resulta invisible para nuestros telescopios. Por este motivo, a esta componente se le dio el nombre de materia oscura.

Desde su formulación, los físicos de partículas se han devanado los sesos para imaginar qué partículas podrían ser candidatas a materia oscura y cómo podríamos detectarlas y, usando esta información, los físicos experimentales han desarrollado y siguen desarrollando multitud de experimentos en todo el mundo para intentar detectarla. Sin embargo, hasta la fecha, se muestra esquiva.

Por si este no fuera suficiente quebradero de cabeza, en 1998, dos grupos de investigadores australianos y estadounidenses descubrieron algo sorprendente: el Universo no solo se está expandiendo sino que, en contra de lo previsto, lo hace cada vez más rápido — hoy se expande más rápido de lo que lo hizo ayer, pero menos que mañana. Este resultado les valió el premio Nobel de Física del año 2011. No era para menos.

Esto era difícil de explicar en el modelo estándar existente debido a que, en ese modelo, la fuerza atractiva de la gravedad debería estar frenando la expansión producida por el ímpetu inicial del Big Bang. Una vez superado el shock, los científicos buscaron la manera de conservar el modelo estándar. Para ello tuvieron que introducir una nueva componente en las ecuaciones de Einstein, a la que llamaron energía oscura. Esta energía oscura desplazaría a la materia oscura como componente dominante del Universo constituyendo aproximadamente el 70% del contenido material-energético del cosmos, mientras que la materia oscura pasaría ahora a ocupar el 26%. Lo que nos dejaría tan solo un 4 por ciento de materia ordinaria.

La naturaleza de la energía oscura es desconocida, lo único que se sabe es que actúa oponiéndose a la gravedad y facilitando la expansión. Curiosamente, las ecuaciones originales de Einstein incluían una componente de este tipo, la llamada constante cosmológica, para que el Universo fuese estático, componente que luego eliminó cuando las observaciones demostraron que el Universo se estaba expandiendo. Sin embargo, para saber si el famoso físico alemán tenía o no razón, deberemos comprobar si la energía oscura es, realmente, una constante, o si por el contrario ha estado variando a lo largo del tiempo, en cuyo caso deberemos buscar formas alternativas de explicar el origen de esta componente misteriosa. Este es, precisamente, el objetivo de muchos proyectos internacionales que se están desarrollando en la actualidad.

Uno de esos proyectos se está llevando a cabo en el Observatorio de Javalambre, donde ahora mismo estoy viendo al pelotón de la vuelta ciclista a España cruzar la meta. Desde dicho observatorio se está llevando a cabo un cartografiado del cielo que servirá para medir la estructura a gran escala y su evolución con el tiempo con mucho detalle. La evolución de la forma de los filamentos y del tamaño de los vacíos depende de cómo varía el contenido de materia (y, por lo tanto la fuerza atractiva de la gravedad que hace que las galaxias se agrupen) y de energía oscura (que ejerce el efecto contrario).

Estudiar la evolución con el tiempo del cosmos requiere de máquinas del tiempo pero, como ya saben, los astrónomos disponemos de ellas y se llaman telescopios. Dado que la velocidad de la luz es alta, pero no infinita, vemos los objetos tal y como eran cuando la luz que llega a nosotros fue emitida. Por ejemplo, en cada momento del día vemos el Sol tal y como era hace ocho minutos, que es lo que tarda la luz en llegar desde nuestra estrella hasta nosotros. Este tiempo aumenta con la distancia a los objetos y, a día de hoy, hemos sido capaces de observar galaxias cuya luz fue emitida hace miles de millones de años.
 

Distribución de galaxias en el cielo observadas por el cartografiado Two Micron All-Sky Survey. La imagen muestra las posiciones de más de un millón y medio de galaxias. El color está relacionado con la distancia de las galaxias en el cielo, desde las más cercanas a nosotros (tonos azules) hasta las más rojas (las más lejanas). Se puede apreciar que las galaxias no están distribuidas de manera aleatoria sino que se agrupan en filamentos. Crédito: Two Micron All-Sky Survey, California Institute of Technology y University of Massachusetts.


El cartografiado de Javalambre es uno de los muchos esfuerzos que se están realizando a lo largo de todo el mundo para entender qué es y qué importancia ha tenido a lo largo de la vida del Universo esta energía oscura que domina el contenido material-energético del cosmos. Estos se suman a los muchos otros que, como he mencionado anteriormente, están dedicados a la detección de materia oscura. En muchos de estos experimentos, no solo en el caso de Javalambre, la participación de instituciones españolas está siendo de mucha relevancia.

Por último, podría suceder que ni la materia ni la energía oscura existiesen. Esto nos llevaría a tener que modificar las leyes fundamentales de la física y la teoría de la relatividad general de Einstein. Cualquiera que sea la solución, lo que está claro es que los físicos estamos viviendo una época excitante y seguro que, en los próximos años, podremos arrojar un poquito de luz a tanta oscuridad.


Patricia Sánchez Blázquez
es una astrofísica madrileña estrechamente ligada a la investigación desarrollada en el Instituto de Astrofísica de Canarias, donde conserva colaboradores cercanos. Tras realizar su tesis doctoral en la Universidad Complutense de Madrid, trabajó en varios centros de investigación internacionales, incluidos el Centro de Supercomputación de la Universidad de Swinburne, Australia; la Escuela Politécnica Federal de Laussane, Suiza; la Universidad de Central Lancashire, Reino Unido; el Instituto de Astrofísica de Canarias y la Universidad Pontificia Católica de Santiago de Chile. En la actualidad es Profesora en la Universidad Autónoma de Madrid.
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