Los físicos que estudiamos las supernovas y vimos que la expansión del universo era acelerada (y por tanto fue uno de los motivos para la introducción de la energía oscura), Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt y Adam G. Riess han recibido el premio Nobel de Física en 2011.
Se habla mucho de la energía oscura. El problema es que hay mucha confusión al respecto. Especialmente es muy popular eso de “los científicos hemos puesto eso de la energía oscura sobre la mesa sin tener ni idea de lo que es, para poner un parche a la teoría cosmológica”.
Bueno, las cosas no son tal que así, y voy a aprovechar esta entrada para explicar como vemos nosotros la cosa y el por qué se habla de energía oscura. En esta entrada sólo mostraré el por qué se habla de energía oscura,
no hablaré ni de sus propiedades ni de las propuestas teóricas para explicar su origen y características.
Acompáñanos al lado oscuro
¿De dónde viene eso de la energía oscura?
Para responder más o menos a eso hay que contar algunas cosas
de cosmología observacional.
Así que tomen asiento que vamos a ello...
El universo es algo único, uno no puede tener muchos universos con los que experimentar, así que nos tenemos que buscar la vida para sacar información observando sus características.
La mayor fuente de información que tenemos acerca del universo
es la radiación cósmica de fondo.
El universo en determinado momento fue algo caliente y denso y en ese estado los electrones, protones y demás partículas cargadas estaban en equilibrio con la radiación (los fotones).
Eso quiere decir que los fotones estaban continuamente “colisionando”
(más o menos literalmente) con las partículas y no había forma
de moverse en línea recta.
Pero llegó un momento, alrededor de 300.000 años después del big bang (entendiendo big bang como momento inicial y no como explosión de un punto que lo contenía todo, que no es eso) que la temperatura decreción
(es decir, la energía disponible) de forma que las partículas y los fotones
se desacoplaron. Y entonces los fotones salieron disparados en línea recta.
Esa imagen que vemos es impresionante, porque eso son fotones que llegan al aparato de observación que salieron 300.000 años después del big bang
y se ha propagado hasta llegar a nosotros
(15mil millones de años después, año arriba, año abajo).
¿Qué nos dice eso?
a) Lo que está representado ahí es la temperatura de la radiación.
Dicha temperatura está alrededor de 2.7 K (eso es 2.7 grados por encima del 0 absoluto, bastante fresquito).
La diferencia de colores indican pequeñas variaciones de temperatura de un punto a otro, la diferencia mayor que podemos encontrar es de 0.0004º.
b) Esa radiación electromagnética está en el rango de las microondas.
c) Nos llega desde todas las direcciones.
Podemos concluir pues que el universo no tiene centro,
y además es homogéneo a gran escala.
Pero no es totalmente homogéneo, o de lo contrario no estaríamos aquí.
Y esas diferencias de temperatura que vemos en la radiación cósmica
de fondo son las semillas de las galaxias que pueblan nuestro universo.
Pues bien, gracias a esta radiación cósmica de fondo (CBR en lo que sigue, de sus siglas en inglés “Cosmic Background Radiation”)
podemos conocer multitud de cosas, pero entre las que podemos
conocer es que nuestro universo es plano.
Por otro lado, tenemos las supernovas.
Brevemente diremos que una supernova es el estadio final de una estrella muy masiva (bastante más pesada que nuestro sol) que cuando acaba su combustible nuclear y deja de brillar llega a su muerte
mediante una explosión.
En las estrellas hay un delicado balance entre la presión de radiación producida por los procesos de fusión nuclear y la gravedad.
Una intenta expulsar todo hacia afuera y la otra todo hacia dentro.
Cuando se acaba el combustible, la gravedad domina y la estrella colapsa, toda la estrella literalmente cae sobre su núcleo.
Pero claro el núcleo es una cosa densa, así que cuando las capas externas caen, rebotan produciendo la explosión supernova.
Se puede dejar un remanente o no.
Los posibles remanentes son, estrellas de neutrones, agujeros negros… depende de la masa de la supernova.
Este es un resumen demasiado resumido de la evolución estelar,
pero por lo menos tenemos una idea).
Supernovas hay de muchos tipos, pero nos vamos a interesar
por uno en concreto: la supernova tipo Ia.
Estas supernovas están causadas por enanas blancas.
Una enana blanca es un resto de una estrella que ha fundido su combustible nuclear pero que no era tan masiva como para explotar.
Ahora bien, si está adquiriendo materia, por ejemplo de una estrella compañera (en un sistema binario), la enana blanca no podrá soportar su propia gravedad y explotará en forma supernova (y esta es la tipo Ia):
¿Y por qué son tan geniales estás supernovas
que estamos hablando de ellas?
Pues el secreto está en que brillan (claro, eso ya lo suponíamos).
Pues digámoslo mejor:
El secreto es que todas las supernovas tipo Ia brillan igual.
Bien ¿y qué?
Pues que la forma que tenemos de medir distancias es a partir del brillo
de las cosas que vemos en el cielo.
(Aún no tenemos metros tan largos).
El método es el siguiente:
1.- Yo sé cuanta luz tiene que emitir un determinado objeto celeste.
2.- Yo sé cuanta luz me llega del mismo.
Entonces yo puedo calcular la distancia.
Imaginemos que tenemos una bombilla de 100 Watt.
Si yo estoy en un sitio y pongo un detector para su luminosidad
y me saca 5Watt.
Yo además sabemos que la potencia disminuye:
Así pues teniendo el brillo (potencia) recibido y el emitido, podemos calcular la distancia que nos separa del emisor.
(esto está muy simplificado, en realidad no es tan directo cuando hablamos de emisores astrofísicos porque definir el brillo y la luminosidad
no es del todo trivial, pero la idea es esa)
A estas referencias para las distancias se las denomina candelas estándar.
Y TODO ESTO ¿QUÉ TIENE QUE VER CON LA ENERGÍA OSCURA?
Espacio plano:
Nuestro universo tiene 4 dimensiones.
Pero nosotros acostumbramos a trabajar con 3 dimensiones espaciales
y una temporal.
En cosmología la dirección temporal está clara, el futuro está dado por
un enfriamiento del universo y un decrecimiento de su densidad ya que sabemos que se está expandiendo.
Así que podemos hacer rodajas de espacios de tres dimensiones en el espacio de 4 dimensiones. (es lo mismo que si nos dibujamos un espacio
de 2 dimensiones, un folio y lo recubrimos de líneas de 1dim de manera
que cubramos todo el folio).
Resulta que la geometría de las rebanadas de 3 dimensiones
está controlada por la densidad de energía.
En esta imagen podemos ver que hay tres situaciones:
1º El universo (3d) puede ser cerrado, como la superficie de una esfera.
2º Puede ser abierto, como la superficie de una silla de montar.
3º Puede ser plano.
Resulta que hay infinitos valores del parámetro Omega que dan lugar a espacios cerrados (Todos los valores entre 0 y 1) y otros tantos para
Omega = entre 1 e infinito).
Y sólo hay un valor que de un espacio plano.
Y ese valor viene determinado por la densidad de energía del universo:
Pues sí, hay un problema y es que cuando miramos a nuestro alrededor sólo podemos explicar un 30% de la energía necesaria para hacer
que el universo sea plano.
Es decir que lo que observamos directamente es:
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Pero como nuestro universo tiene el valor de Omega 0=1 pues hemos de encontrar la energía que falta: La energía oscura.
Por otro lado, volviendo a las supernovas, medimos distancias ¿y qué?
Pues lo que ocurre es lo siguiente, al medir las distancias de las supernovas tipo Ia que vamos encontrando por las distintas galaxias y calculamos
su distancia, la distancia varía si la calculamos en un espacio plano
o en un espacio no plano.
Entonces hacemos el cálculo con las dos posibilidades
y luego ponemos las distancias medidas sobre lo que hemos calculado teóricamente, y se encuentra esto:
En el eje de las X’s tenemos las distancias de los objetos hasta nosotros que estamos en el origen (las unidades esas de z, no nos interesan ahora,
pero diremos que es el desplazamiento al rojo, una forma de dar distancias en astrofísica).
En el eje de las Y’s ponemos el brillo (magnitud aparente,
pero básicamente el brillo).
Y lo que encontramos es:
Los datos tienen la manía de ponerse sobre la línea superior que está calculada con un universo en expansión acelerada
(con energía oscura por lo que hemos explicado antes).
Así que tenemos que concluir que nuestro universo se está acelerando
y que hay un 70% de la energía necesaria para ello que no sabemos
de dónde ha salido.
RECAPITULANDO:
Tenemos un problema cosmológico importante, hay una expansión comprobada pero se está acelerando.
Todo indica que hay un comportamiento del universo que no entendemos,
y le hemos puesto el nombre de ENERGÍA OSCURA.
No sabemos lo que es y no sabemos como explicarlo.
Bueno, precisemos, tenemos muchos modelos que hablan de energía oscura, y que dan posibles soluciones, pero aún nada definitivo.
El problema es evidente, los datos están ahí y no, los científicos no sacamos cosas de la manga por regla general, lo que pasa es que nos da por poner nombre raros. Así que ahora, cuando alguien hable del “ la energía oscura” pues por lo menos ya saben de donde sale y que no es un invento.
