Conexión entre la materia oscura y la energía oscura


Los conceptos de materia y energía oscuras permanecen todavía en el misterio. Una nueva teoría trata de unificarlos como dos aspectos de una misma fuerza.

En las últimas décadas, los científicos han descubierto que hay mucho más en el universo que lo visible a simple vista. El cosmos parece estar lleno no de uno, sino de dos constituyentes invisibles: la materia oscura y la energía oscura, cuya existencia ha sido propuesta solamente sobre la base de sus efectos gravitatorios sobre la materia y energía ordinarias.

Ahora, el físico teórico Robert J. Scherrer (izquierda) ha presentado un modelo que podría disminuir en un 50% el misterio, al explicar que la materia y energía oscuras son dos aspectos de una única fuerza desconocida. Ha descrito su modelo en un artículo titulado “K-Esencia Cinética Pura como Materia Oscura Unificada”, que ha sido publicado online el 30 de junio de 2004 en Physical Review Letters y que está disponible online aquí.

“Una forma de pensar sobre ésto es que el universo está lleno de un fluido invisible que ejerce presión sobre la materia ordinaria y modifica la forma en que se expande el universo”, dice Scherrer, un profesor de física en la Universidad de Vanderbilt.

Según Scherrer, su modelo es extremadamente simple y evita los grandes problemas que han caracterizado a los esfuerzos anteriores de unificar la materia y la energía oscuras.

En la década de 1970, los astrofísicos postularon la existencia de partículas invisibles llamadas materia oscura para poder explicar el movimiento de las galaxias. Basados en estas observaciones, estimaron que en el universo debería haber 10 veces más materia oscura que materia ordinaria. Una posible explicación para la materia oscura es que estaba conformada por un nuevo tipo de partícula denominadas Partículas Masivas Débilmente Interactivas (WIMPs = Weakly Interacting Massive Particles), que no emiten luz y casi no interactúan con la materia ordinaria. Se está buscando evidencia de estas partículas en varios experimentos.

Como si ésto no fuera suficiente, en la década de 1990 apareció la energía oscura, que produce una fuerza de repulsión que parece estar desgarrando el universo. Los científicos invocaron a la energía oscura para explicar el sorpresivo descubrimiento de que la tasa en que se expande el universo no está disminuyendo, como pensaba la mayoría de los cosmólogos, sino que se está acelerando. De acuerdo con las últimas estimaciones, la energía oscura compondría el 75% del universo y la materia oscura sería otro 23%, lo que dejaría a la materia y energía ordinarias con un distintivo papel minoritario del 2%.

La idea unificadora de Scherrer es una forma exótica de energía con propiedades bien definidas aunque complicadas, llamada campo escalar. En este contexto, un campo es una cantidad física que posee energía y presión que es diseminada por todo el espacio. Los cosmólogos convocaron inicialmente a los campos escalares para explicar la inflación cósmica, un período un poco posterior al Big Bang cuando parece que el universo sufrió un episodio de hiper-expansión, inflándose trillones de veces en menos de un segundo.

Específicamente, Scherrer utiliza en su modelo un campo escalar de segunda generación, conocido como k-esencia. Los campos de k-esencia han sido propuestos por Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y otros como una explicación de la energía oscura., pero Scherrer es el primero en hacer notar que un tipo simple de campo de k-esencia puede también producir los efectos atribuidos a la materia oscura.

Los científicos diferencian entre materia oscura y energía oscura porque parecen comportarse de manera diferente. La materia oscura parece tener masa y formar acumulaciones gigantescas. De hecho, los cosmólogos calculan que la atracción gravitatoria de estas acumulaciones jugaba un papel principal para que la materia ordinaria formara las galaxias. Por contraste, la energía oscura parece no tener masa y distribuirse uniformemente por todo el espacio, donde actúa como una especie de anti-gravedad, una fuerza repulsora que está desgarrando el universo.

Los campos de k-esencia pueden cambiar su comportamiento a través del tiempo. Cuando se investiga un tipo muy simple de campo de k-esencia en el cual la energía potencial es una constante, Scherrer descubrió que a medida que el campo evoluciona, pasa a través de una fase donde puede acumularse e imitar el efecto de partículas invisibles, seguida por otra fase en la cual se distribuye uniformemente a través del espacio y adquiere las características de la energía oscura.

“El modelo evoluciona naturalmente hacia un estado en el que parece ser materia oscura durante un tiempo, y luego se comporta como energía oscura”, dice Scherrer. “Cuando comprendí ésto, pensé: “Ésto es convincente; veamos que se puede hacer con ello””.

Cuando examinó el modelo con más detalle, Scherrer encontró que evita mucho de los problemas que han plagado las teorías previas que intentan unificar la materia y la energía oscuras.

El primer modelo de energía oscura fue hecho modificando la teoría general de la relatividad para incluir en ella un término llamado “constante cosmológica”. Este fue un término que Einstein incluyó originalmente para balancear la fuerza de gravedad y lograr así un universo estático. Pero luego abandonó alegremente la constante cuando las observaciones astronómicas evidenciaron que no era necesaria. Los modelos recientes que re-introducen la constante cosmológica cumplen un buen trabajo al reproducir los efectos de la energía oscura pero no explican la materia oscura.

Un intento de unificar la energía y la materia oscuras, llamado el modelo gaseoso de Chaplygin, está basado en el trabajo de un físico ruso en la década de 1930. Produce una etapa inicial parecida a la materia oscura, seguida de una evolución parecida a la energía oscura, pero tiene problemas para explicar el proceso de formación galáctica.

La formulación de Scherrer tiene algún parecido con una teoría unificada que fue propuesta a principios de este año por Nima Arkani-Hamed y otros colegas en la Universidad de Harvard, quienes intentaron explicar la materia y la energía oscura como causadas por el comportamiento de un fluido invisible y omnipresente que ellos llamaron “condensado fantasma”.

Aunque el modelo de Scherrer posee varios rasgos positivos, también presenta algunos problemas. Por un lado, requiere un “afinado fino” muy extremo para funcionar. El físico también advierte que serán necesarios más estudios para determinar si el comportamiento del modelo es consistente con otras observaciones. Además, no puede explicar el problema de coincidencia: ¿Por qué vivimos en el único momento en la historia del universo en que las densidades calculadas para la materia y la energía oscura son comparables?. Los científicos tienen sus sospechas sobre ésto, pues sugiere que hay algo especial en la era presente.  

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