La energía oscura

Durante el siglo XX, las observaciones astronómicas de un tipo de supernova —la supernova de tipo Ia que explota cuando una enana blanca alcanza la masa de 1.4 veces la masa del Sol— han aportado candelas cósmicas estándar a través de las cuales se pueden conocer las distancias cósmicas con precisión; porque este tipo de enanas blancas, cuando explotan y se transforman en supernovas, todas tienen el mismo resplandor y se apagan con el mismo ritmo, puesto que tienen casi la misma composición. Asimismo, todas explotan cuando alcanzan la misma masa, 1.4 veces la masa del Sol, dado que ésta representa la masa máxima de las enanas blancas. En efecto, ésta atrae los gases ricos en hidrógeno de la vieja estrella que la acompañaba, De este modo aumentan continuamente la densidad y la temperatura hasta alcanzar una temperatura de más de diez millones de grados, dando lugar a la fusión nuclear de la toda enana blanca. La estrella se inflama y produce una gran explosión que desgarra la estrella produciendo una supernova del tipo Ia.

En cuanto a lo que influye en el aumento o disminución de su brillo, pues es la distancia que lo separa del observador, o el alejamiento o proximidad de la supernova a él. Esto es lo que las convierte —como se mencionó anteriormente— en candelas estándar para determinar las distancias cósmicas con precisión. Por ejemplo: si conocemos la distancia que nos separa de una supernova y queremos medir la distancia entre nosotros y una segunda supernova que tiene un cuarto del brillo de la primera supernova, la distancia que nos separa de la segunda supernova es el doble de la distancia que nos separa de la primera supernova; porque el brillo es proporcional al cuadrado de la distancia. Esto significa también que, si nosotros conocemos la distancia entre nosotros y una supernova, podemos calcular el brillo de la supernova. Gracias a que las supernovas explotan continuamente en el universo que nos rodea, estas ya han aportado información precisa de las distancias cósmicas. Asimismo, su observación ha permitido establecer la velocidad de expansión del universo (la materia y la energía).

A fines del siglo XX, un equipo de investigadores que observaba supernovas determinó que una de las supernovas lejanas a nosotros era menos brillante de lo que se suponía que debía ser. Esto significa que el universo se expande a una velocidad mayor a la esperada, lo cual a su vez significa que hay una energía desconocida enorme y creciente que contrarresta a la gravedad de la masa de la materia cósmica y que empuja hacia una expansión acelerada.

Después de que se dispusiera de una herramienta precisa para medir distancias cósmicas, se hicieron mediciones de las distancias de las galaxias y una medición de sus velocidades de alejamiento, lo cual dio a conocer a los astrónomos que hay una gran energía desconocida que lucha contra la fuerza de gravedad de la materia en el universo y que participa eficazmente en la expansión contínua del universo con una aceleración. Esta energía fue llamada energía oscura.

Con respecto al cálculo matemático, que depende de lo anterior y del resultado de las observaciones disponibles, los astrónomos pudieron conocer el valor de la diferencia ΩΛ − ΩM = 0.46 más o menos 0.03.

ΩΛ: representa la tasa de densidad que la energía oscura aporta a la densidad crítica.

ΩM: representa la densidad promedio de toda la materia existente del universo en relación con la densidad crítica.

La densidad crítica: es la densidad en la que la curvatura del universo es cero según las ecuaciones de Einstein.

En el universo observable, según las observaciones astronómicas, la densidad promedio de toda la materia que existe en el universo incluyendo la materia oscura —calculada a partir de la gravedad— en relación con la densidad crítica es aproximadamente 0.25, es decir, que ΩM = 0.25 aproximadamente.

Por la ecuación anterior podemos saber que el valor de ΩΛ es:

ΩΛ − ΩM = 0.46

ΩΛ = 0.46 (± 0.03) + 0.25 = 0.71 aproximadamente

Es decir, que ΩΛ + ΩM = 0.96 ~ 0.99. Este número para algunos físicos y astrónomos es prácticamente igual a uno, lo cual significa que la curvatura del universo es cero.

Por las ecuaciones de la relatividad de Einstein sobre la forma del universo y su expansión o su inmovilidad, se puede conocer el valor de la densidad crítica de la materia del universo. La densidad crítica es la densidad de la materia del universo en la que la curvatura del espacio es cero. En cuanto a la densidad del universo medida realmente incluyendo la energía cósmica convertida en su equivalente de materia según la ecuación de Einstein E = mc2 se llama densidad real.

Si la densidad real es mayor que la densidad crítica, significa que el universo es de curvatura positiva como la superficie de una esfera, y también significa que, si nuestro universo está en expansión, terminará finalmente contrayéndose y su expansión no continuará para siempre.

Si la densidad real es menor que la densidad crítica, significa que el universo es de curvatura negativa como la superficie de un paraboloide hiperbólico o como la montura de un caballo y su expansión continuará para siempre.

En cuanto a si el valor de la densidad real es igual al valor de la densidad crítica, significa que el universo es de curvatura cero, o digamos plano, y su expansión continuará, pero el ritmo de su expansión se irá frenando acercándose al cero, pero sin llegar nunca a cero.

Según los resultados anteriores, la proporción es de aproximadamente uno. Es decir, que la densidad real es igual a la densidad crítica, o sea, que el universo es de curvatura cero y es plano.

Modelos de Friedmann – Fuente: (A Journey Into Gravity and Spacetime – Wheeler, A.J.)

Además de lo aportado por las supernovas como se mencionó anteriormente, la observación de la radiación cósmica de fondo y el diseño de un mapa preciso de los puntos de heterogeneidad dentro de éste, mediante equipo avanzado transportado en globos y satélites a finales del siglo XX y a comienzos del siglo XXI, permitió a los científicos conocer el valor total de ΩΛ y ΩM cuyo valor es de aproximadamente 1.02, con una diferencia de más o menos 0.02. Si revisamos el resultado que aportan las supernovas, el valor de la diferencia entre ambas llega aproximadamente al mismo resultado, que en total es casi uno, lo cual significa:

Que la constante cosmológica en la ecuación de Einstein no es cero como se esperaba en el pasado, y que hay una energía desconocida, o como es llamada, “oscura”, que representa a la inmensa mayoría de la energía que afecta al universo. Si se convirtiera en masa sería el mayor aportante de masa del universo.

Otra cuestión: es que el universo es de curvatura cero, es decir, plano.

«Los datos del WMAP ponen de manifiesto que las mayores desviaciones de la homogeneidad en la CBR abarcan un ángulo de aproximadamente un grado, lo que supone que ΩM + ΩΛ tiene un valor de 1.02 más/menos 0.02. Así pues, dentro de los límites de la precisión experimental, podemos llegar a la conclusión de que

ΩM + ΩΛ = 1, y que el espacio es plano.

El resultado de las observaciones de supernovas Ia lejanas se puede expresar como

ΩΛ – ΩM = 0.46.

Si combinamos este resultado con la conclusión de que ΩM + ΩΛ = 1, vemos que

ΩM = 0.27 y ΩΛ = 0.73, con un margen de error porcentual pequeño en cada número. Como ya se ha señalado, se trata de las mejores estimaciones actuales de los astrofísicos para los valores de estos dos parámetros cósmicos clave, según los cuales la materia —tanto la corriente como la oscura— proporciona el 27% de la densidad total de energía del universo, y la energía oscura, el 73%. (Si preferimos pensar en el equivalente energético de la masa, E/c2, entonces la energía oscura suministra el 73% de toda la masa)».[1]

Con respecto a la respuesta a la pregunta de dónde ha venido y viene la energía oscura, algunos físicos esperan que la mecánica cuántica sea garante de una explicación de esta cuestión; puesto que es en el espacio completamente vacío donde continuamente aparecen y desaparecen partículas hipotéticas, ya que, según el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, en el vacío hay fluctuaciones cuánticas, como anteriormente explicamos.

El espacio específico para la materia y la energía, crece a medida que aumenta la expansión de la materia y la energía, ya sea una porción mayor de espacio donde las galaxias con su movimiento distante y acelerado ocupan una porción mayor a medida que pasa el tiempo, o ya sea todo el espacio cósmico, que en el pasado fue minúsculo y comenzó su expansión con el Big Bang.

Suponiendo que la energía oscura provenga de las fluctuaciones cuánticas en el espacio vacío el resultado sería que, con la expansión del espacio, la energía oscura aumente en el espacio vacío que hay entre la materia, y la acompañe un aumento de la fragmentación de la materia y su dispersión en el universo. Como resultado de ello es de esperar que, en un universo plano, que tiene una constante cosmológica distinta de cero en la ecuación de la relatividad de Einstein, tienda a un aumento continuo de ΩΛ a expensas de ΩM, puesto que ambas mantienen una suma total de uno. Es acertado esperar que ΩM alcance un número lo más cercano posible a cero, y que ΩΛ alcance un número lo más cercano posible a uno, pero ello requeriría un abismal período de tiempo.

Teóricamente, la constante cosmológica puede ser muy grande. Ahora, sí volvemos al comienzo de la formación del universo y suponemos que la constante cosmológica es mucho mayor de lo que es ahora —como teóricamente se espera— la densidad de la energía oscura será enorme. Esto significa que el valor de ΩΛ no necesitará todo este tiempo para superar el valor de ΩM, sino que el valor de ΩΛ será mucho mayor que el valor de ΩM en un período breve de la edad del universo, talvez en algunos millones de años. Esto significa que el efecto creciente de la enorme cantidad de energía oscura, hará que la expansión del universo ocurra con una gran aceleración y lleve a la dispersión de la materia esparciéndola por el espacio de modo que no permitirá que se formen estrellas, planetas ni galaxias y no habrá ninguna vida en el universo. Esto significa que la constante cosmológica con su valor actual es adecuada para la aparición de la vida en el universo, y esto es una evidencia de que el universo está legislado para que la vida aparezca en él, porque las probabilidades de la constante cosmológica son demasiadas. Es inconcebible que por casualidad y sin un objetivo previo la constante cosmológica sea, según las observaciones cósmicas, mucho más pequeña de lo que se esperaría teóricamente y que, por ende, sea apropiada para formar galaxias, estrellas, planetas y para que surja la vida.

«La aplicación simple de la teoría cuántica a lo que llamamos “vacío” predice que las fluctuaciones cuánticas crearán energía oscura. Si contamos la historia desde esta perspectiva, la gran pregunta sobre la energía oscura parece ser la siguiente: ¿por qué tardaron tanto los cosmólogos en reconocer que esta energía ha de existir? Por desgracia, los detalles de la situación real convierten esa pregunta en otra: ¿cómo es que los físicos de las partículas se equivocaron tanto? Los cálculos de la cantidad de energía oscura que acecha en cada centímetro cúbico dan un valor aproximadamente 10120 veces superior al hallado por los cosmólogos en observaciones de supernovas y en la radiación cósmica de fondo. En situaciones astronómicas fuera de lo común, los cálculos que se revelan correctos con un margen de error de 10 se suelen considerar al menos temporalmente aceptables, pero nadie puede esconder un factor de 10120 bajo la alfombra, ni siquiera una Pollyanna física. Si el espacio vacío real contuviese energía oscura en cantidades mínimamente parecidas a las propuestas por la física de las partículas, desde entonces el universo se habría hinchado hasta tener tanto volumen que nuestra cabeza jamás habría empezado a girar, pues una minúscula fracción de segundo habría bastado para extender la materia hasta una rarefacción inimaginable».[2]

En un intento por explicar la exactitud de la constante cosmológica, algunos físicos y astrónomos plantearon aquí los múltiples universos, con más de una forma, ya que hay hipótesis que dicen: que vivimos en un universo de una serie de múltiples universos —sin conexión entre ellos, pues cada uno de ellos tiene su propio espacio en particular— que se han formado por las muchas posibilidades y explosiones dentro de una entidad de dimensiones superiores. Aquí se puede imaginar que nuestro universo es el resultado de una de estas muchas posibilidades y explosiones, cuya mayoría se forma con una constante cosmológica que no permite la aparición de la vida, por lo cual no se sostiene el argumento presentado.

Pero esto sigue siendo una mera hipótesis, pues podemos decir que cada uno de los múltiples universos se origina en un universo superior, así que sus orígenes no son el mismo y esta imagen no sirve para resolver el problema de la probabilidad de la exactitud de la constante cosmológica. Además de que la misma hipótesis de los múltiples universos conduce a otras preguntas acerca de ellos, acerca de la posibilidad de que se afecten entre sí y de que las fluctuaciones cuánticas en el espacio sean un resultado de estos efectos.

En general, es una hipótesis hasta ahora que representa una respuesta débil a lo demostrado en base a observaciones cósmicas reales, de que la constante cosmológica actual con este valor, es adecuada para el surgimiento de la vida, y, por ende, para la aparición de nuestros cuerpos. Si no tuviera este valor, sino uno mucho mayor como predijeron los principios teóricos, no habría aparecido la vida en este universo. Esto es una indicación de que hay una intención, de que la vida es intencional y que tiene un propósito. Con esto se demuestra la existencia de Dios.

«Como en el concepto “multiverso” la situación global se incrusta en dimensiones superiores, el espacio de nuestro universo sigue siendo totalmente inaccesible a cualquier otro, y viceversa. Esta falta de interacciones —ni siquiera teóricamente posibles— sitúa la teoría del multiverso en la categoría de hipótesis aparentemente no comprobables, y por tanto no verificables, al menos hasta que mentes más sabias descubran la manera de poner a prueba el modelo. En el multiverso, nacen universos nuevos en momentos completamente aleatorios, capaces de hincharse mediante inflación hasta constituir enormes volúmenes de espacio, y de hacerlo sin que ello afecte en lo más mínimo al infinito número de otros universos».[3]

Hay astrónomos que responden que este argumento se sostiene porque nosotros existimos aquí, es decir, que la cuestión está relacionada con el observador o el ser humano. O sea, que nuestra existencia restringe el valor de la constante cosmológica, pues, como nosotros existimos aquí y hemos realizado observaciones de la constante cosmológica, su valor actual ha cobrado importancia. Esta solución a la cuestión de la constante cosmológica se denomina principio antrópico o enfoque antrópico, pero en realidad, otorga a la existencia del hombre —que ha observado la constante cosmológica— una importancia en su medición por ser una solución al problema de la constante cosmológica. Pues ahora, según el principio antrópico o enfoque antrópico, la constante cosmológica y el universo quedarían sin valor sin la presencia del ser humano que la observa —como hemos explicado anteriormente en la mecánica cuántica. Por eso, el ser humano y su existencia son de una importancia mayor, ya que el universo no tiene ningún valor cognitivo o científico sin la presencia del observador (el ser humano). Así que el universo no puede tener ninguna existencia sin el ser humano. Esto significa que el ser humano es el primer propósito universal y mientras haya un propósito, habrá alguien detrás, una fuerza superior con un propósito, o dios.

«Sin embargo, supongamos que sólo en las regiones lisas se hubiesen formado galaxias y estrellas, y hubiese las condiciones apropiadas para el desarrollo de complicados organismos autorreproductores, como nosotros mismos, que fuesen capaces de hacerse la pregunta: ¿por qué es el universo tan liso? Esto constituye un ejemplo de aplicación de lo que se conoce como el principio antrópico, que puede parafrasearse en la forma “vemos el universo en la forma que es porque nosotros existimos”».[4]

Existe también otro modelo de los múltiples universos para resolver la problemática mencionada de la constante cosmológica llamado modelo ecpirótico, el cual depende de la teoría de supercuerdas o teoría M. Este modelo supone la existencia de múltiples universos en forma de láminas extendidas entre las cuales ocurren colisiones y que de cada colisión que ocurre, se produce un Big Bang en cada una de las láminas que chocan, y, por en consecuencia, un universo nuevo en cada una de ellas. Es natural, con la multiplicidad de universos que hay, que algunos de ellos sean productores de vida, en paralelo a la mayoría de otros universos que no son productores.

«Paul Steinhardt, de la Universidad de Princeton, que podría tomar algunas clases particulares sobre creación de nombres con gancho, ha elaborado un teórico “modelo ecpirótico” del cosmos en colaboración con Neil Turok, de la Universidad de Cambridge. Motivado por la sección de la física de las partículas denominada “teoría de cuerdas”, Steinhardt imagina un universo con once dimensiones, la mayoría de las cuales están “compactadas” —más o menos dobladas como un calcetín—, de modo que ocupan sólo cantidades de espacio infinitesimales. Algunas de las dimensiones adicionales tienen un tamaño y una importancia reales, pero no podemos percibirlas porque permanecemos encerrados en las cuatro conocidas. Si suponemos que todo el espacio del universo llena una lámina fina e infinita (este modelo reduce las tres dimensiones espaciales a dos), podemos imaginar otra lámina, paralela, y luego figurarnos las dos acercándose y chocando. El choque produce el Big Bang, y cuando las láminas rebotan entre sí, la historia de cada una procede según pautas familiares, lo que da origen a las galaxias y las estrellas. A la larga, las dos láminas dejan de separarse y empiezan a acercarse de nuevo, lo que provoca otra colisión y otro Big Bang en cada lámina. Así pues, el universo tiene una historia cíclica, se repite a sí mismo —al menos en sus rasgos más generales— a intervalos de cientos de miles de millones de años. Como ecpirosis significa en griego ‘conflagración’ (recordemos la más conocida palabra pirómano), el “universo ecpirótico” recuerda a cualquiera que tenga el griego en la punta de la lengua el gran incendio que dio lugar al cosmos conocido.

Este modelo ecpirótico del universo tiene atractivo emocional e intelectual, aunque no el suficiente para conquistar el corazón y la mente de muchos compañeros cosmólogos de Steinhardt. En todo caso, todavía no. Algo vagamente parecido al modelo ecpirótico, si no el modelo mismo, acaso ofrezca algún día el avance que los cosmólogos esperan actualmente en sus intentos de explicar la energía oscura. Incluso quienes apoyan el enfoque antrópico difícilmente se cerrarían en banda a una nueva teoría que les brindase una buena explicación para la constante cosmológica sin recurrir a un número infinito de universos, de los cuales el nuestro resulta ser uno de los afortunados».[5]


[1] Fuente: Tyson & Goldsmith, Orígenes, pág. 95.

[2] Fuente: Tyson & Goldsmith, Orígenes, págs. 54-55.

[3] Fuente: Tyson & Goldsmith, Orígenes, pág. 57.

[4] Fuente: Hawking, Breve historia del tiempo, pág. 114.

[5] Fuente: Tyson & Goldsmith, Orígenes, pág. 58-59.


Del libro La ilusión del ateísmo del Imam Ahmed Alhasan (a)