La parte oscura de la naturaleza - Pt. 2

Siguiendo con el tema de la última entrada; hoy terminaremos de revisar el otro “misterio” natural vigente. El tema es difícil, mas no imposible de entender. A diferencia de la materia oscura, la energía oscura, en mi opinión, es un poco más complicada de abstraer y “cachar” bajo una sombrilla de especulaciones acerca del fenómeno. Energía oscura es una idea joven, y como tal posee innumerable cantidad de proposiciones y variantes para explicar sus porqués. Aquí hablaremos del mejor digerido entre el populacho científico, no necesariamente el correcto y mucho menos el único. Lo cierto es que de aquí a unos años, nuestra percepción acerca de este fenómeno cambiará drásticamente.

Un poco de historia

Hasta finales de los 20's, el universo (según los científicos humanos) estaba compuesto por una sola colección de estrellas: la vía láctea. Dentro de esta colección había otros objetos conocidos como nebulosas. Las nebulosas, aunque de dudoso origen, estaban debidamente catalogadas. Un nombre que aún se cuela en el argot popular es “La nebulosa de Andrómeda”. Este objeto, considerado una vez parte de nuestra galaxia, fue fotografiado por Edwin Hubble; notando algo distinto. Hubble encontró estrellas dentro de la supuesta nebulosa; y una posterior estimación de la distancia reveló que esta “nebulosa” era una colección distante de estrellas por sí sola. Andrómeda se convirtió en galaxia.

El Universo de pronto aumento en tamaño, de manera grotesca. Más galaxias se catalogaron como tales y el mismo Hubble hizo otra observación memorable: las galaxias más distantes se alejaban de nosotros a toda velocidad. Esta observación vino en forma de una gráfica de velocidad contra distancia; medidas en diferentes galaxias relativamente cercanas. ¿Qué significa que las galaxias se estén alejando unas de otras? Y no solo eso, que se estén alejando de nosotros.

Seguro que estamos en el centro del Universo. Pues no. Donde sea que nos paremos, veremos a las demás galaxias alejarse de nosotros. Análogo a un pan con pasas en el horno, si nos paramos en una pasa cualquiera, todas las demás se parecerán alejarse de nosotros a medida que la levadura hace lo suyo. La masa se expande, la distancia entre las pasas aumenta. La ilusión óptica consiste en que las pasas no tienen movimiento propio, es la distancia entre ellas la que crece.

Usando la recién-inventada herramienta de Relatividad General, la ciencia especulaba acerca de la evolución del Universo. ¿Hacia dónde va la expansión? ¿Es infinita? ¿Se detendrá en algún momento?

Diferentes modelos sugerían diferentes finales para el Big Bang. Big crunch: la suma total de la materia en el universo es suficiente para frenar gradualmente la expansión (por gravedad) y eventualmente revertirla; el espacio se contrae. Big freeze: la suma total de la materia en el universo es insuficiente para detener la expansión y el universo se expande para siempre; congelándose a medida que las estrellas consumen su combustible. Estos nombres son los corolarios de matemáticas y especulaciones basadas en la evidencia disponible. Estas conclusiones se van filtrando a medida que se realizan nuevos descubrimientos, revelando una mejor abstracción de la realidad.

El conglomerado de teorías que mejor explica la evolución del universo es la teoría del big bang. El nombre lleva de equipaje el concepto de explosión. Se tiende a asociar la velocidad aparente de las demás galaxias con una explosión típica de la tierra: pedazos volando en todas direcciones. Sin embargo, análogo al pan en el horno, las galaxias no se mueven por una explosión previa, la distancia entre ellas aumenta, creando la ilusión de una expansión. A eso vamos.

A finales de los 90's, y utilizando técnicas inexistentes en el tiempo de Hubble, 2 grupos independientes midieron las velocidades de objetos más distantes en el Universo. En un sentido, completaron los pedazos faltantes de la gráfica de Hubble. La observación corroboró lo que ya sabíamos: el Universo continúa en expansión. Sin embargo, agregó una pizca de certeza: la tasa expansión está en aumento. Las galaxias, cuanto más lejanas, más rápido se escapan. ¿Cómo es posible que las galaxias vayan acelerando en lugar de frenar? O más simple aún, ¿Por qué no mantienen más o menos la misma velocidad con la que iniciaron? No hay duda de que un algo está causando la expansión.

Sobre la energía oscura

Este es un campo nuevo con varias teorías para explicar el fenómeno. Hablando de materia oscura, mencionamos un modelo que repartía la cantidad de materia+energía necesaria* en: ~5% átomos como los nuestros, ~25% materia oscura y ~70% de algo parcialmente desconocido. Los números cuadran con la evidencia de manera gloriosa. Si lo que está empujando la expansión del universo es el 70% restante de la energía necesaria: magnífico; si no: seguramente tendrá algo que ver, y seguramente se abrirán más puertas con más y más detalles desconocidos acerca de la naturaleza.

*Necesaria para obtener la forma física observada del Universo. No hay mejor evidencia que la radiación cósmica de fondo. Experimentos recientes, como Planck de ESA, están por mejorar nuestra precisión al respecto.

Fluctuaciones cuánticas y la energía del vacío

Que no los engañe lo serio del subtítulo. Me quedo rependejo leyendo acerca de estas cosas. Lo poco que entiendo es gracias a analogías y abstracciones, cortesía de gente que sí manipula las tripas de herramientas avanzadas como mecánica cuántica y relatividad general.

Una de las explicaciones para la energía oscura, o “lo que empuja la expansión del Universo”, es un principio que deriva de los fundamentos de la relatividad general. En los tiempos de Newton, el espacio era el escenario donde las fuerzas y la masa interactuaban. No tenía sentido hablar del espacio si no contenía objetos. El vacío era nada más que eso. Einstein propuso una abstracción alternativa, simplemente brillante, donde le asignaba dinamicidad y características propias al vacío clásico. La gravedad se entiende como una consecuencia de la deformación del espacio en sí. El espacio se arruga y deforma en la medida que interactúa con su contenido. Wow.

La expansión del Universo, según este modelo en particular de energía oscura, se atribuye a una cantidad intrínseca de energía, prácticamente constante, presente en cada unidad básica de espacio. ¿Cómo constante? ¿No que estaba acelerando? La aceleración es simplemente como cambia la velocidad de un objeto en función del tiempo. Una aceleración constante positiva da como resultado una velocidad que aumenta conforme aumenta el tiempo. Cuanto más distante esté una galaxia de nosotros, más rápido parecerá alejarse; si cada unidad de espacio contiene [a gran escala] la misma cantidad de energía oscura, los objetos más distantes (y por ende, con mayor cantidad de energía oscura entre ellos) se alejarán más rápido que los cercanos. Volviendo al ejemplo de la comida, si las pasas inician lejos en el molde, terminarán aún más lejos cuando se hornee.

En la naturaleza existen pares de partículas que se crean de la nada y se aniquilan unas a las otras tras breves momentos. Esto es tan real como el clima y la evidencia está provista por la mecánica cuántica. Las fluctuaciones cuánticas o fluctuaciones del vacío “roban” un poco de energía del espacio, se manifiestan en un par de partícula/anti-partícula, se aniquilan y regresa el balance al pedacito de vacío que proveyó la energía para el evento. Según entiendo y usando una analogía, cuando ocurren estas fluctuaciones dejan en el espacio, un agujero que se manifiesta como una fuerza de repulsión que expande el espacio solo un poco. La suma colectiva de estas pequeñas repulsiones en el vacío, a grandísima escala, es lo que vemos como energía oscura o la expansión en sí.

Los detalles están muy por encima de mi cabeza. Es difícil abstraer estos fenómenos cuando estamos tan acostumbrados a las condiciones en la tierra.

Conclusión

La mejor evidencia viene con la era de los colisionadores. El más agresivo de todos, el Large Hadron Collider es la llave de entrada a varias preguntas sobre las que actualmente solo es posible especular. Aquí, junto con experimentos relacionados con ondas gravitacionales (LIGO y LISA, por ejemplo); se irán acumulando las piezas faltantes para resolver las preguntas actuales y descubrir más cosas acerca del universo.

No hace falta recurrir a la ficción para encontrar misterios que nos entretengan. La naturaleza, tal y como es, se deja estudiar por sus habitantes. ¿Por qué es más atractivo recurrir a la fantasía para explicar un fenómeno? ¿Sólo porque es más fácil? ¿Por qué tanta gente antepone sus intereses personales a los procesos naturales? Si de verdad existiera algo remotamente similar a un ente consciente y creador del Universo, observante perpetuo de su contenido, se reiría de esas especies que discuten acerca de lo que es la realidad, cual es la forma correcta de abstraer el espacio-tiempo, cual es el sombrero correcto para cargar durante el día, etc... etc... Lo único cierto, y que me causa cierto regocijo, es que a la naturaleza no le interesa nuestra opinión. Todas las estrellas se mueren en algún momento. Tenemos las herramientas para sobrevivir, las consecuencias son nuestro problema.

Parafraseando a uno de esos tipos inteligentes: “La realidad no es mi cosa favorita, sin embargo, es el único sitio donde puedo comer una plato decente.”

Reitero mi fuente principal, si les interesa el tema, lo recomiendo ampliamente: Sean Carroll – Dark Matter, Dark Energy: The Dark Side of the Universe.