El Premio Nobel de Física y la energía oscura

En 2011 un grupo de científicos estadounidenses de dos grupos de investigación diferentes recibió el premio Nobel de Física por el descubrimiento de la expansión acelerada del Universo (realizado en 1998), dando pie a la primera evidencia fuerte de la existencia de la energía oscura.  Por esto, es relevante saber en qué consiste esta energía, cuáles son las evidencias que sustentan su existencia y cuáles fueron los importantes aportes que muestran, como muchos otros, el increíble potencial científico de Chile en materia astronómica.

Por Erick C. Pastén, estudiante de postgrado de la Universidad de Valparaíso y del Núcleo Milenio de Formación Planetaria.

El siglo pasado, Albert Einstein, símbolo por excelencia de la física contemporánea, sentó las bases de la Relatividad General. Su teoría puso en cuestionamiento la histórica concepción sobre la naturaleza del espacio-tiempo fijo e inmutable y dio pie a una naturaleza dinámica e interactuante con el entorno: el espacio y el tiempo están en constante cambio y se ven afectados por la materia y la energía que habita en la naturaleza. En base a esto, surgió una nueva rama de la ciencia: La cosmología, el estudio del origen y la evolución de nuestro Universo.

Las grandes herramientas que la teoría de la relatividad general puso a disposición de la comunidad científica, hicieron que la ambición y el sueño por conocer la estructura y las propiedades de nuestro Universo entero se volvieran una realidad. Es así como surgen descripciones distintas de universos posibles: cerrados, abiertos, infinitos, finitos, acelerados, quietos, desacelerados, etc. El objetivo es entonces responder la pregunta: ¿Cómo podríamos comprobar, desde nuestro pequeño hogar en el cosmos, a cual de los universos de este zoológico corresponde el nuestro?

El efecto Doppler y La ley de Hubble

Un primer acercamiento para dilucidar si nuestro Universo se expande, se contrae o está quieto, se puede hacer fácilmente invocando una conocida ley física: el efecto Doppler. Según ella, los objetos que emiten algún tipo de radiación y que se mueven con respecto a un observador, tienden a cambiar la longitud de onda (y, por lo tanto, la frecuencia) que el observador percibe. Esto hace que nuestra percepción de la longitud de onda que emiten aquellos que se alejan tienda a ser mayor que si estuviesen quietos. Debido a que el color rojo tiene una longitud mayor que el azul, se dice que estos objetos se corren al rojo. El ejemplo típico es una ambulancia alejándose de ti: parece emitir un sonido mucho más grave que cuando se acerca.

Este corrimiento al rojo es una medida de la velocidad a la que se alejan los objetos: mientras más rápido lo haga, más al rojo se desplazará su luz.
Este corrimiento al rojo es una medida de la velocidad a la que se alejan los objetos: mientras más rápido lo haga, más al rojo se desplazará su luz.

Usando el efecto Doppler, a principios del siglo XX se determinó que muchas galaxias (en ese tiempo consideradas nebulosas) presentaban un fuerte corrimiento al rojo, dando pie a la conjetura que nuestro Universo efectivamente se está expandiendo y que los objetos se alejan de nosotros. Sin embargo, para dilucidar la estructura del cosmos necesitamos algo más: saber a qué distancia están estos objetos, con el propósito de reproducir una relación entre la distancia y la velocidad a la que se alejan (corrimiento al rojo). Es en este punto estimado lector, habrás notado que el objetivo de la cosmología experimental se reduce a determinar los parámetros más básicos de la física a un conjunto de objetos de nuestro Universo: su distancia y su velocidad.

El primer gran aporte a la medición de distancias a objetos lejanos en el cosmos lo hizo una mujer, considerada una de las astrónomas más importantes de la historia: Henrietta Swan Leavitt. En una próxima columna hablaremos sobre ella.

Edwin Hubble determinó de manera independiente la distancia y velocidad de varias galaxias con respecto a nosotros, encontrando que mientras más lejos está una galaxia, más velozmente se aleja. Esto se conoce como la ley de Hubble.

En este punto es importante remarcar que la ley de Hubble no dice nada acerca de la evolución de nuestro Universo. No significa que una galaxia, puesto que se está alejando, posea luego una velocidad mayor a la que tenía antes. Lo que nos da es una medición de la estructura actual del Universo.

Para determinar el comportamiento y evolución del Universo a gran escala, se hizo necesario mirar más lejos que lo que había mirado Hubble. Por un lado, obtener la velocidad con que se alejan las galaxias es relativamente sencillo pero medir sus distancias es mucho más complicado. Por esto, durante mucho tiempo se buscó objetos lo suficientemente brillantes como para poder observarlos a muy grandes distancias y que su brillo no dependiera notablemente de sus propiedades individuales (lo que en inglés se conoce como “standard candles” o velas estándares en español).

Es aquí cuando Chile juega un rol crucial en el desarrollo de lo que vendría para la cosmología y la gran sorpresa que la humanidad se llevaría.

Las supernovas IA

A finales de los 80, astrónomos chilenos de Cerro Calán, en conjunto con investigadores del Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO por sus siglas en inglés), comenzaron un proyecto de investigación sobre cómo las Supernovas tipo IA podían ser ocupadas como velas estándar y medidores de distancias intergalácticas. La motivación principal fue que estos objetos son extremadamente luminosos, tan brillantes como una galaxia entera que tiene cientos de miles de millones de estrellas, pero estas supernovas no son exactamente iguales unas a otras y además suceden de forma aleatoria en las distintas galaxias y son visibles en general por solo un período corto de tiempo.

Durante el proyecto, los investigadores obtuvieron un resultado excepcional: es posible determinar la distancia a las supernovas tipo IA con gran precisión. Para hacerlo, usaron una relación entre la brillo de estas supernovas y el ritmo al que decrece este brillo semanas después de la explosión. Así, determinaron la cantidad de energía liberada y, con ello, la distancia a la que están de nosotros.

En los años siguientes, dos proyectos estadounidenses, el Supernova Cosmology Project y el High-z team, utilizaron el mismo método desarrollado en Chile para medir supernovas más lejanas, utilizando un telescopio de 4 m ubicado también en cerro Tololo en el valle del Elqui, llamado Victor Blanco. Los resultados fueron impresionantes ya que al comparar con diferentes modelos de universos existentes, se obtuvo que el Universo está efectivamente acelerando. En 2011, los principales investigadores de estos proyectos recibieron el premio Nobel por sus descubrimientos, dejando a Chile como un potencial internacional de investigación científica.

¿Por qué un universo acelerado requiere de una explicación tan exótica como la energía oscura?

Esta debe ser la pregunta más interesante del tema. ¿Qué tiene que ver la energía oscura aquí? Pues mucho. En concreto, las ecuaciones de Einstein permiten un universo que se expande de manera constante o desaceleradamente sin necesidad de fuerzas externas, pero para obtener una solución acelerada se necesita de algo más, de una fuerza que se contraponga a la gravedad, algo que finalmente bautizaron como Energía oscura y que en las ecuaciones de gravedad se introduce como una constante llamada constante cosmológica, cuya naturaleza aún se desconoce. Estudiar las propiedades de esta forma de energía es importante para entender cómo es que el Universo ha llegado a ser lo que hoy es y qué es lo que será en el futuro.

¿Qué podría ser esta energía oscura? Existen muchas teorías al respecto. Algunos creen que es una quintaesencia que permea todo el espacio suministrando la energía necesaria para que se lleve a cabo esta expansión. Otros creen que simplemente es la energía del “vacío” que existe en el mismo espacio. Sin embargo, los valores predichos son extremadamente altos para poder dar una explicación satisfactoria. Y, finalmente, algunos son lo suficientemente radicales como para cuestionar la veracidad de las teorías físicas actuales.

¿Qué crees tú que podría ser la energía oscura? Si notamos el importante aporte de nuestro país en esta historia, ¿quién dice que la respuesta a todas estas interrogantes no podría salir de alguien como tú?

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