¿es real la materia oscura?

A principios de la década de 1990, una cosa era bastante segura sobre la expansión del universo. Podía tener suficiente densidad de energía para detener su expansión y volver a colapsar, podía tener tan poca densidad de energía que nunca dejaría de expandirse, pero era seguro que la gravedad ralentizaría la expansión con el paso del tiempo. Es cierto que la ralentización no se había observado, pero, en teoría, el universo tenía que ralentizarse. El universo está lleno de materia y la fuerza de atracción de la gravedad atrae a toda la materia. Entonces llegó 1998 y las observaciones del telescopio espacial Hubble (HST) de supernovas muy lejanas que demostraron que, hace mucho tiempo, el universo se expandía realmente más despacio que hoy. Así que la expansión del universo no se ha ralentizado debido a la gravedad, como todo el mundo pensaba, sino que se ha acelerado. Nadie esperaba esto, nadie sabía cómo explicarlo. Pero algo lo estaba causando.

Al final, los teóricos propusieron tres tipos de explicaciones. Tal vez era el resultado de una versión de la teoría de la gravedad de Einstein, descartada hace tiempo, que contenía lo que se llamaba una «constante cosmológica». Tal vez había algún tipo extraño de energía-fluido que llenaba el espacio. Tal vez haya algo que no funciona en la teoría de la gravedad de Einstein y una nueva teoría podría incluir algún tipo de campo que crea esta aceleración cósmica. Los teóricos aún no saben cuál es la explicación correcta, pero han dado un nombre a la solución. Se llama energía oscura.

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Uno de los aspectos más fascinantes de la historia científica es el relativo a los esfuerzos de Einstein con la constante cosmológica. Es bien sabido que Einstein añadió una constante cosmológica a sus ecuaciones con el fin de proporcionar un Universo estático. Debido a este sesgo, no pudo predecir la expansión del Universo que pronto fue observada por Hubble (Hubble 1929). Al enterarse de la expansión del Universo, Einstein puso la constante cosmológica a cero y dijo que su introducción era su «mayor error».

La mayoría de los físicos contemporáneos están familiarizados con el hecho de que, antes del descubrimiento de Hubble, Einstein asociaba el término de la constante cosmológica con una constante de integración. Sin embargo, Einstein no siempre creyó que esto fuera así, y actualmente hay detalles importantes que están ausentes del relato histórico. En 1918, antes de descartar famosamente la constante cosmológica, Einstein hizo la primera interpretación física del nuevo término Λ que había descubierto:

«la nueva formulación tiene esta gran ventaja, que la cantidad Λ aparece en las ecuaciones fundamentales como una constante de integración, y ya no como una constante universal propia de la ley fundamental «1 (Einstein 1919).

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Nuestro universo puede contener 100.000 millones de galaxias, cada una de ellas con miles de millones de estrellas, grandes nubes de gas y polvo, y quizás montones de planetas y lunas y otros trocitos de basura cósmica. Las estrellas producen una gran cantidad de energía, desde ondas de radio hasta rayos X, que atraviesan el universo a la velocidad de la luz.

Debido a sus nombres, es fácil confundir la materia oscura y la energía oscura. Y aunque pueden estar relacionadas, sus efectos son muy diferentes. En resumen, la materia oscura atrae, la energía oscura repele. Mientras que la materia oscura tira de la materia hacia dentro, la energía oscura la empuja hacia fuera. Además, mientras que la energía oscura sólo se manifiesta en la escala cósmica más grande, la materia oscura ejerce su influencia tanto en galaxias individuales como en el universo en general.

La Vía Láctea tiene forma de disco de unos 100.000 años luz de diámetro. Todas las estrellas de este disco orbitan alrededor del centro de la galaxia. Las leyes de la gravedad dicen que las estrellas más cercanas al centro de la galaxia -que es también su centro de masa- deberían moverse más rápido que las que están en los bordes de la galaxia.

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Se sugiere que los fenómenos cosmológicos aparentemente dispares que se atribuyen a la llamada «materia oscura» y a la «energía oscura» surgen del mismo proceso físico fundamental: la aparición, desde el nivel cuántico, del propio espaciotiempo. Esta creación del espaciotiempo da lugar a una expansión métrica alrededor de los puntos de masa, además de la curvatura habitual debida a las fuentes de tensión-energía del campo gravitatorio. En apoyo de la propuesta se aduce una reciente modificación de la teoría de la relatividad general de Einstein realizada por Chadwick, Hodgkinson y McDonald, que incorpora la expansión del espaciotiempo alrededor de los puntos de masa y que explica bien las curvas de rotación galáctica observadas. Las pruebas observacionales recientes corroboran una predicción del modelo según la cual la cantidad aparente de «materia oscura» aumenta con la edad del universo. Además, la propuesta conduce al mismo resultado para la constante cosmológica, pequeña pero no evanescente, relacionada con la «energía oscura», que la del modelo causal de [1].

Desde la década de 1990 ha quedado claro que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, un fenómeno que históricamente se ha atribuido a la llamada «energía oscura «1. La hipotética energía oscura es invisible, y puede considerarse una propiedad intrínseca del espaciotiempo en lugar de la materia habitual (energía de tensión) que es la fuente de la curvatura del espaciotiempo. La densidad de la «energía oscura» es constante, también en contraste con la materia/energía ordinaria. Un método popular para explicar el fenómeno de la energía oscura es atribuirlo a la «constante cosmológica» Λ de Einstein [3].