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Energía oscura, materia oscura

A comienzos de la década de 1990, una cosa era bastante segura acerca de la expansión del universo. Podría tener suficiente densidad de energía para detener su expansión y recaer, podría tener tan poca densidad de energía que nunca dejaría de expandirse, pero la gravedad estaba segura de ralentizar la expansión a medida que pasaba el tiempo. Por supuesto, la ralentización no se había observado, pero, teóricamente, el universo tuvo que frenar. El universo está lleno de materia y la fuerza atractiva de la gravedad atrae todos los asuntos juntos. Luego vinieron 1998 y el telescopio espacial Hubble (HST) observaciones de supernovas muy lejanas que demostraron que, hace mucho tiempo, el universo se estaba expandiendo más lentamente de lo que es hoy en día. Así que la expansión del universo no ha disminuido debido a la gravedad, como todos pensaron, se ha estado acelerando. Nadie esperaba esto, nadie sabía cómo explicarlo. Pero algo lo estaba causando.

Eventualmente los teóricos se les ocurrió tres tipos de explicaciones. Tal vez fue el resultado de una versión largamente descartada de la teoría de la gravedad de Einstein, una que contenía lo que se llamaba una "constante cosmológica". Tal vez había un extraño tipo de fluido de energía que llenó el espacio. Tal vez hay algo malo con la teoría de la gravedad de Einstein y una nueva teoría podría incluir algún tipo de campo que crea esta aceleración cósmica. Los teóricos todavía no saben cuál es la explicación correcta, pero han dado a la solución un nombre. Se llama energía oscura.

¿Qué es la energía oscura?

Más se desconoce de lo que se conoce. Sabemos cuánta energía oscura hay porque sabemos cómo afecta la expansión del universo. Aparte de eso, es un completo misterio. Pero es un misterio importante. Resulta que aproximadamente el 68% del universo es energía oscura. La materia oscura es del 27%. El resto-todo en la Tierra, todo lo observado con todos nuestros instrumentos, toda la materia normal-se suma a menos del 5% del universo. Llegado a pensar en ello, tal vez no debería ser llamado "normal" la materia en absoluto, ya que es una pequeña fracción del universo.
Changes in the Rate of Expansion over Time
Universo energía oscura-1 universo en expansión

Este diagrama revela cambios en la tasa de expansión desde el nacimiento del universo hace 15.000.000.000 años. Cuanto más superficial sea la curva, mayor es la velocidad de expansión. La curva cambia perceptiblemente hace cerca de 7.500.000.000 años, cuando los objetos en el universo comenzaron a volar aparte como tarifa más rápida. Los astrónomos teorizan que la velocidad de expansión más rápida se debe a una misteriosa fuerza oscura que está desarmando las galaxias.
Fotografía: NASA/STScI/Ann feild

Una explicación para la energía oscura es que es una propiedad del espacio. Albert Einstein fue la primera persona en darse cuenta de que el espacio vacío no es nada. El espacio tiene unas propiedades increíbles, muchas de las cuales están empezando a ser comprendidas. La primera propiedad que Einstein descubrió es que es posible que haya más espacio para llegar a la existencia.
Entonces una versión de la teoría de la gravedad de Einstein, la versión que contiene una constante cosmológica, hace una segunda predicción: "espacio vacío" puede poseer su propia energía. Debido a que esta energía es una propiedad del espacio en sí, no se diluiría a medida que el espacio se expande. A medida que más espacio entra en existencia, más de esta energía del espacio aparecería. Como resultado, esta forma de energía causaría que el universo se expandiera más rápido y más rápido. Desafortunadamente, nadie entiende por qué la constante cosmológica debe incluso estar allí, mucho menos por qué tendría exactamente el valor correcto para causar la aceleración observada del universo.
Núcleo de materia oscura desafía la explicación
Esta imagen muestra la distribución de la materia oscura, galaxias y gas caliente en el núcleo del cúmulo de galaxias que se fusionan, Abell 520. El resultado podría presentar un desafío a las teorías básicas de la materia oscura.

Otra explicación de cómo el espacio adquiere energía viene de la teoría cuántica de la materia. En esta teoría, el "espacio vacío" está realmente lleno de partículas temporales ("virtuales") que continuamente se forman y luego desaparecen. Pero cuando los físicos trataron de calcular cuánta energía esto daría espacio vacío, la respuesta salió mal-mal por mucho. El número salió 10120 veces demasiado grande. Eso es un 1 con 120 ceros después de él. Es difícil conseguir una respuesta tan mala. Así que el misterio continúa.

Otra explicación para la energía oscura es que es un nuevo tipo de fluido energético dinámico o campo, algo que llena todo el espacio pero algo cuyo efecto sobre la expansión del universo es lo contrario de la materia y la energía normal. Algunos teóricos han nombrado esta "quintaesencia", después del quinto elemento de los filósofos griegos. Pero, si la quintaesencia es la respuesta, todavía no sabemos cómo es, con qué interactúa, o por qué existe. Así que el misterio continúa.

Una última posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein no es correcta. Eso no sólo afectaría la expansión del universo, sino que también afectaría la forma en que la materia normal en galaxias y cúmulos de galaxias se comportó. Este hecho proporcionaría una manera de decidir si la solución al problema de la energía oscura es una nueva teoría de la gravedad o no: podríamos observar cómo las galaxias se unen en racimos. Pero si resulta que se necesita una nueva teoría de la gravedad, ¿qué clase de teoría sería? ¿Cómo podría describir correctamente el movimiento de los cuerpos en el sistema solar, como la teoría de Einstein se sabe para hacer, y todavía nos da la diversa predicción para el universo que necesitamos? Hay teorías candidatas, pero ninguna es convincente. Así que el misterio continúa.

Lo que se necesita para decidir entre las posibilidades de energía oscura-una propiedad del espacio, un nuevo fluido dinámico, o una nueva teoría de la gravedad-son más datos, mejores datos.

¿Qué es la materia oscura?

Ajustando un modelo teórico de la composición del universo al conjunto combinado de observaciones cosmológicas, los científicos han venido para arriba con la composición que describimos arriba, la energía oscura del ~ 68%, materia oscura del ~ 27%, materia normal del ~ 5%. ¿Qué es la materia oscura?

Estamos mucho más seguros de lo que la materia oscura no es que somos lo que es. En primer lugar, es oscuro, lo que significa que no es en la forma de las estrellas y los planetas que vemos. Las observaciones muestran que hay muy poca materia visible en el universo para componer el 27% requerido por las observaciones. En segundo lugar, no está en la forma de nubes oscuras de la materia normal, materia formada de partículas llamadas baryons. Sabemos esto porque seríamos capaces de detectar nubes bariónica por su absorción de radiación que pasa a través de ellos. Tercero, la materia oscura no es antimateria, porque no vemos los rayos gamma únicos que se producen cuando la antimateria se aniquila con la materia. Finalmente, podemos descartar grandes agujeros negros tamaño galaxia sobre la base de la cantidad de lentes gravitacionales que vemos. Las altas concentraciones de materia doblan la luz que pasa cerca de ellos de objetos más lejos, pero no vemos suficientes eventos de lente para sugerir que tales objetos para componer la contribución requerida de la materia oscura del 25%.

Abell 2744: el cúmulo de Pandora reveló
Una de las colisiones más complicadas y dramáticas entre los cúmulos de galaxias que se han visto es capturado en esta nueva imagen compuesta de Abell 2744. El azul muestra un mapa de la concentración total de masa (sobre todo la materia oscura).

Sin embargo, en este punto, todavía hay algunas posibilidades de materia oscura que son viables. La materia bariónica todavía podría componer la materia oscura si era todo atado para arriba en enanos marrones o en pedazos pequeños, densos de elementos pesados. Estas posibilidades se conocen como objetos de Halo compactos masivos, o "machos". Pero la opinión más común es que la materia oscura no es bariónica en absoluto, sino que está formada por otras partículas más exóticas como los Axions o los debiluchos (partículas masivas débilmente interactuando).

Traducción: El Quelonio Volador

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