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ZAPPING 0179, 23-jun-2003

La energía fantasma

El Universo ha tomado diferentes caras a lo largo de la Historia. Se ha avanzado mucho desde la época de las "esferas celestes", cuando se creía que los cuerpos astronómicos estaban sostenidos por esferas de cristal encajadas una dentro de la otra, en cuyo centro se hallaba nuestro planeta y que se movían de una manera extremadamente complicada, como artefactos de relojería. Los instrumentos actuales nos permiten penetrar mucho más en las profundidades del Cosmos, y por eso podemos observar cada vez más detalles. Pero en los últimos tiempos, el nuevo conocimiento que adquieren los astrónomos en lugar de clarificarnos el panorama lo complica. Una y otra vez aparecen observaciones de elementos y situaciones que no encajan en las teorías establecidas.

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Modelos del Universo

En el siglo pasado se discutió por largo tiempo si el Universo era estacionario, es decir, si ha existido siempre y se mantiene más o menos igual a lo largo del tiempo, o si tuvo un comienzo y, como es lógico, sufre una constante evolución, lo cual determina, obviamente, que puede tener un final. El hallazgo de la radiación de fondo, más otras observaciones cósmicas que aclaran casi sin discusión cuál es la situación, determinó que el Universo comenzó con un suceso de carácter único al que se ha llamado Big-Bang (Gran Estallido, Gran Explosión o Gran Expansión). Luego de instituirse esto, la discusión se centró en si el Universo era "cerrado" (estaba curvado sobre sí mismo, es decir, no tenía reales límites porque jamás se podía "salir" de él) o era plano, o sea que se extendía en todos sentidos hasta el infinito o hasta alguna clase de límite inconcebible. Para saber cuál de los dos modelos es el verdadero se descubrió que era necesario determinar cuánta materia lo compone.
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Composición del Cosmos
Esta cantidad es la que define si el Universo tiene suficiente gravitación como para curvarse sobre sí mismo, si estará sujeto a una expansión constante o si el movimiento de alejamiento que se observa hoy se detendrá y posteriormente se invertirá, haciendo que todas las partes caigan sobre sí mismas. Para saber cuál de estas opciones es la real se debe determinar cuánta es la masa total que compone el Universo, cosa que no es fácil y no se ha logrado aún, porque se trata de gases interestelares, partículas subatómicas, estrellas no encendidas o ya apagadas, objetos masivos colapsados, como los agujeros negros y las estrellas de neutrones, planetas, asteroides y cometas. Todos ellos son invisibles a grandes distancias. Aún así, gracias a las nuevas técnicas de observación se detectan más y más masas oscuras capaces de desviar y atraer galaxias enteras y se ha llegado a la conclusión de que muchísimas galaxias —incluyendo la nuestra— poseen agujeros negros supermasivos en su centro. También se están encontrando, sin cesar, planetas alrededor de las estrellas lejanas.

En uno de los modelos —si la masa alcanza— el Universo dejará de expandirse, frenado por su propia gravedad, y luego comenzará a contraerse hasta sufrir un colapso inverso a ese Big Bang original, al que se ha llamado Big-Crunch (Gran Compresión). En el otro, si la masa total no es suficiente para detener el movimiento, el Universo se expandirá para siempre hasta alcanzar un estado infinitamente diluido. Muchos físicos asumen que es posible que el movimiento que se observa en la actualidad permanezca constante o bien se debilite con el tiempo, lo que significa, en ambos casos, que la expansión continuará. Aunque si existe mucha materia oscura, como algunos científicos piensan, el desplazamiento hacia afuera de las partes del Universo debería ir frenándose hasta detenerse, para luego revertirse.

Robert Caldwell, del Darmouth College, New Hampshire, ha propuesto una tercera posibilidad: el Big Rip. Si las cosas son como él dice, el acto final en la historia del Universo dependerá de la naturaleza de una misteriosa fuerza, a la que se le llama "energía oscura", que según algunas teorías actuales se opone a las fuerzas gravitatorias y acelera su expansión, lo que llevaría, si llega a crecer de intensidad como se teme, a "despedazarlo" literalmente en sus últimos instantes.

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Cómo se expandió el Universo

Según el punto de vista de Caldwell, la energía oscura, una fuerza que causa una aceleración de la expansión de nuestro Universo, crecerá y se volverá cada vez más poderosa. Bajo la influencia de esta extraña energía "fantasma", cuando pase suficiente tiempo la expansión adquirirá una violencia inusitada y se ocupará de extender el espacio hasta extremos inconcebibles, de modo que la luz de las estrellas no logre alcanzarnos. Esta extensión del espacio hará que lo que hoy es del tamaño de un punto se convierta en el Universo visible en torno a cada observador. A efectos prácticos, el Cosmos habrá desaparecido.

Mediciones precisas de la radiación de fondo de microondas, realizadas hace muy poco, han dejado la puerta abierta a la existencia de la energía fantasma y la posibilidad bastante cierta de que se produzca el Big Rip. En un artículo publicado en Physical Review, Caldwell y sus colegas han calculado de qué forma la energía fantasma podría llevar al Universo hasta ese destino final.


Einstein, gran intuitivo.

Las evidencias obtenidas en los últimos tiempo gracias a los instrumentos cada vez más precisos que están a mano de los astrónomos han mostrado que el Universo es plano, es decir, que no se curva y cierra sobre sí mismo, como se consideró en algún momento en base a la Relatividad General. Es posible que esta "chatura" se deba a una energía que se opone a la fuerza que conocemos, de atracción entre los cuerpos, algo que Einstein llamó "constante cosmológica" y que ahora se define como una clase de energía con atracción negativa —una presión—, a la que se llama "energía oscura", que impulsa una eterna expansión. Si esto es así el Universo se expandirá lentamente y se volverá cada vez más frío y vacío.

Pero el nuevo informe señala datos que muestran un final distinto. Los autores del reciente artículo exploran las consecuencias que acarrearía la actuación de una energía oscura denominada "fantasma", en la que la suma de presión y densidad de energía da un valor negativo. Este tipo de energía se acrecienta y en tiempo finito alcanzaría niveles infinitos, superando al resto de las formas de materia de tal manera que rápidamente la repulsión gravitacional pondría punto final a nuestra breve era de estructuras cósmicas. La energía fantasma rasgará y destrozará en fragmentos la Vía Láctea, el Sistema Solar, la Tierra, y finalmente, moléculas, átomos, núcleos y partículas subatómicas integrantes de la materia, lo que producirá la muerte definitiva del Universo.

Ilustración de Valeria Uccelli. Pique para ampliar.
El Gran Desgarro

En el escenario más extremo, este terrible Big Rip ocurrirá dentro de unos 22.000 millones de años. Nuestra galaxia será destruida sesenta millones de años antes del final. Si algún observador ha sobrevivido hasta entonces —lo cual es muy improbable—, podría ser testigo del proceso hasta el milisegundo final. Los átomos que lo componen, como todos en el Universo, se destrozarán en los últimos 10 -19 segundos. Parece algo inconcebible, de ciencia ficción, pero lo cierto es que hasta ahora nadie ha podido probar que sea imposible.

A finales de esta década se lanzará el satélite SNAP (Supernova/Acceleration Probe) que ayudará a los astrónomos a dilucidar estas especulaciones sobre el fin de todas las cosas. Usando este instrumento se podrán hacer mediciones detalladas en miles de supernovas, con la intención de determinar con gran exactitud a qué velocidad se alejan de nosotros. El mapa resultante nos podrá indicar cómo varía la energía oscura a lo largo del tiempo.

La energía fantasma, así como la energía oscura, ha pasado a formar parte del cúmulo de cuestiones físicas que están en discusión. No todos los físicos están de acuerdo con las conclusiones y con las formas en que se llega a ellas. La teoría de la Relatividad General de Einstein, en referencia a la gravedad, predice que pueden existir unos túneles en el espacio-tiempo a los que se les llama "agujeros de gusano". Hoy se sabe que estos túneles tienen escalas subatómicas y sus cualidades son cuánticas. Como muchas partículas que nacen y desaparecen en estas escalas, estas "rajaduras" del espacio-tiempo aparecen y se cierran en tan poco tiempo que no nos percatarnos de su existencia. Pero la gravedad repulsiva de la energía fantasma, tan intensa como se predice, podría ser la clave para mantenerlos abiertos. Y hasta es posible que se los pueda ensanchar lo suficiente como para que una astronave los utilice para moverse por el espacio usando atajos, lo que significaría velocidades mayores a la de la luz. Como sabemos, para la física la velocidad de la luz es la mayor posible en el Universo. Toda violación de las leyes físicas lleva a que se presenten paradojas. Según Caldwell, su teoría hace que se alce el espectro de las máquinas del tiempo y de sus conflictos con la realidad, algo que los físicos encuentran muy incómodo.

Hay una nueva noticia: un científico español encontró una salida a la posibilidad de que el Universo se destruya en un Big Rip dentro de 22.000 millones de años. Pedro González-Díaz, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas de Madrid, dice que aún si el Universo estuviera realmente en la situación que propone Robert Caldwell, no es inevitable que se produzca un Día del Juicio Cósmico. El Universo podría seguir expandiéndose, simplemente.


El cúmulo Coma de galaxias muestra efectos gravitacionales que sólo se pueden explicar por la presencia de materia oscura invisible

Según la teoría de Caldwell la destrucción comenzaría alrededor de mil millones de años antes del fin definitivo. Como vimos, primero la gravedad pierde su capacidad de unir las cosas a escala cósmica, permitiendo que los grupos de galaxias se separen. Sesenta millones de años antes del Día Final, nuestra propia galaxia se fractura y las estrellas se alejan una de otra. Unos meses antes del fin, los sistemas planetarios se desmembran y treinta minutos antes del Big Rip, los planetas y las estrellas se desintegran. Una fracción de segundo antes del Fin del Mundo las moléculas y los átomos se separan, y luego se deshacen en sus partículas fundamentales. Al final, el propio espacio se desgarra.

En realidad nadie sabe si la energía fantasma, causante de este gran cataclismo, de verdad existe, aunque las observaciones astronómicas más recientes apuntan a que sí. Hace sólo cinco años, los astrónomos descubrieron que el Universo se está expandiendo a un ritmo que se va acelerando. Este aumento cósmico de velocidad es el que sugiere que el espacio está impregnado de energía oscura, que crea una presión que se opone a la atracción de la gravedad. Y existe la alternativa de que la energía oscura tome la forma de la llamada energía fantasma. Ésta es más patológica que la energía oscura que se deduce de la constante cosmológica de Eisntein, ya que esta energía se fortalece con el tiempo y va ganando el dominio de los otros tipos de energía y materia.

Pero quizá todo esto no ocurra. González-Díaz señala que algunos tipos de energía fantasma pueden comportarse de una manera mejor, evitando la volatilidad y la inestabilidad que lleva al Big Rip. La energía oscura se puede imaginar como una especie de gas que llena el espacio, cuya densidad es proporcional a su presión. González-Díaz muestra que si este "gas" tiene ciertas propiedades —específicamente si la velocidad a la que lo atraviesa una oscilación decrece con el tiempo—, no se produce el Big Rip. Al igual que la anteriormente descripta, esta teoría puede sonar mañosa, pero González-Díaz considera que, en realidad, es un tipo de comportamiento más probable que el que se presentó anteriormente.

Más datos en:
Universe can surf the Big Rip
González-Díaz, P. F. You need not be afraid of phantom energy. Preprint, (2003)
Tendencias Científicas
Nota de prensa
Noticia en Axxón
Una Supernova Ilumina a la Energía Oscura
Energía oscura en un Universo acelerado
Caldwell, R. R., Kamionkowski, M. y Weinberg, N. N. Phantom energy and cosmic doomsday. Preprint, (2003).
SNAP
Materia oscura y energía oscura en el Universo
Una pesadilla cósmica
Tercera probabilidad para el fin del cosmos

(Traducido, adaptado y ampliado por Eduardo J. Carletti de varios sitios en Internet.)


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