jueves, 15 de marzo de 2018

A vueltas con la energía oscura


Albert Einstein
En un artículo anterior mencioné que Einstein introdujo un tercer término en el segundo miembro de su ecuación cosmológica, para intentar que dicha ecuación tuviera como solución un cosmos estacionario, que no se expandiera ni se contrajera. El intento no consiguió su objetivo, porque dicho cosmos estacionario habría estado en equilibrio inestable, y la menor variación le habría empujado a expandirse o a contraerse. El término en cuestión depende de una constante (L, la constante cosmológica), que fue introducida por las buenas y en realidad no sabemos lo que es.
Ecuación cosmológica de Einstein
Durante la mayor parte del siglo XX, se dio por supuesto que el valor de la constante cosmológica debía ser cero. Con otras palabras, que el tercer término de la ecuación de Einstein no existía, que no era necesario. Sin embargo, en 1998 se descubrió que el universo parece estar en expansión acelerada. Al menos, eso parece indicar el estudio de las supernovas que aparecen en galaxias muy lejanas, a unos 1000 millones de años-luz de nosotros. Para explicarlo se resucitó el término de la constante cosmológica, pero dando a esta un valor de signo contrario al que propuso Einstein, para que en vez de contrarrestar la expansión, la acelerase. Esta propuesta se ha convertido en el modelo cosmológico estándar, en el que el primer término de la ecuación, que representa el efecto de la masa, cuenta actualmente como un 31%, mientras el tercero, el de la constante cosmológica, cuenta como un 69%. En este modelo, el segundo se considera nulo. Dejo aparte la cuestión de que el término de la masa tampoco cuadra, y ha sido preciso suponer que existe una materia oscura, que tampoco sabemos lo que es.

Algunos cosmólogos, sin embargo, no están de acuerdo con el modelo estándar e intentan ofrecer alternativas:
·         Algunos piensan que la energía oscura no es necesaria, porque el efecto de la aceleración aparente puede explicarse en función de la granularidad del cosmos (el hecho de que haya enormes espacios vacíos, frente a otros abarrotados de galaxias). De acuerdo con la ecuación de Einstein, los espacios vacíos se expanden más deprisa que los que contienen mucha masa. Este fenómeno se llama backreaction, pero otros cosmólogos, más apegados al modelo estándar, sostienen que el efecto, aunque cierto, es demasiado pequeño para explicar la expansión acelerada. Y como no es posible experimentar con objetos reales, todos estos estudios se basan en simulaciones, que al tener que simular el universo entero, requieren unos recursos informáticos enormes.
·         Otra propuesta afirma que la expansión acelerada no existe en realidad, sino que es el resultado de un efecto óptico. Cuando se observan supernovas muy lejanas, su luz tiene que atravesar regiones intermedias donde hay agrupaciones de galaxias alternando con vacíos. Este viaje podría dar lugar a cambios en la dirección del rayo luminoso (efectos de lente gravitatoria) que, al llegar hasta nosotros, provocan una ilusión óptica, aparentando que hay aceleración donde no la hay en realidad. Estos efectos también se estudian mediante simulaciones, pero el problema es que dichas simulaciones no son bastante realistas, pues hay que simplificarlas para reducir los recursos informáticos necesarios, lo que disminuye su fiabilidad.
Lente gravitatoria
Algunas de las simulaciones reducen la magnitud del problema colocando las galaxias en los vértices de una rejilla tridimensional. Estas simulaciones parecen sugerir que la energía oscura podría no ser necesaria, pero no se consideran fiables, porque el universo no es una rejilla. Otros aplican las ecuaciones de Newton en vez de las de Einstein, porque son más fáciles de resolver, pero los efectos que buscamos podrían estar precisamente en las ecuaciones de la Relatividad General. Otros, finalmente, simplifican el espacio mismo, simulando universos toroidales, donde lo que sale por la izquierda entra por la derecha. Algunos estiman que las simplificaciones realizadas podrían dar lugar a errores importantes, del orden de un 10%, lo que podría afectar a los resultados y eliminar o reducir significativamente  la expansión acelerada del universo.
A pesar de todo, la mayor parte de los cosmólogos siguen fieles al modelo estándar y creen en la existencia de materia oscura y de energía oscura, aunque no sepamos lo que son.
Y además de esto tenemos el problema pendiente de que los cálculos de la constante de Hubble realizados por distintos procedimientos no concuerdan. Pero esa es otra historia.


Manuel Alfonseca

16 comentarios:

  1. Felicito al Profesor Alfonseca, como siempre por lo que veo aún queda mucho que estudiar en el universo, y espero que los que nos suceden puedan aclarar el misterio de la materia oscura, y ver si la teoría estándar es la correcta. Espero el siguiente artículo con sumo interés.

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  2. Si toda la materia poseyera nada, el Universo acabaría contrayendose. Pero existe algo muy sutil y que no es influido por la gravedad, que lo expande, es la llamada "energía oscura" (70% de la exitente). Esa energía es diferente al 25% de materia oscura, que si tiene masa y responde a la gravedad.
    Ya sé que a algunos no les convence la existencia de algo más allá de lo conocido, pero así es el mundo.

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    1. Te equivocas, Gonzalo, si no hubiese energía oscura y sólo materia, en la cantidad propuesta por el modelo estándar, el universo se expandiría para siempre, aunque no de forma acelerada. Para que se contrajera tendría que haber bastante más que tres veces la materia del modelo estándar, incluyendo la materia oscura. Así es la Relatividad General. (:-)

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  3. No existe ni materia ni energía “oscura” de ningún tipo, es solo que por no admitir su ignorancia, el mundo científico oficial se inventa lo que sea para no reconocer su impotencia ante ciertos problemas.

    Pero la situación no es científicamente intratable, quizá ni siquiera grave, sólo que con las herramientas actuales se ha tocado fondo.

    Es la misma situación que en siglos anteriores cuando se conocía la teoría de Newton como el culmen del saber científico, pero no podía explicar ciertas anomalías.
    Sencillamente la teoría era válida para “entornos reducidos”, prácticamente los habituales en la experiencia humana y alguno más relacionados con el sistema solar, lo que era suficiente, pero no para tratar las anomalías.

    Para superar esto tuvieron que progresar bastante el conocimiento y la matemática, para al fin dar con distintas geometrías y conceptos, con la posibilidad de una NUEVA TEORIA que solucionaba esos problemas. No era necesaria acudir a entelequias como en el presente.

    Esa teoría (RG) parece valida en bastante casos pero vemos que no a nivel universal, macrocosmico, puesto que en ese caso explicaría las anomalías observadas, luego está en la misma situación que la teoría newtoniana antaño y debe ser sustituida por otra más completa y mejor, para la que quizá sea necesario un mayor conocimiento y desarrollo de nuevos conceptos y matemáticas. No hace falta inventarse nada estrambótico, solo reconocer que no se sabe y trabajar de verdad. ¿Serán capaces? Sinceramente creo que no.

    La solución es más probable que venga por medio de la mecánica cuántica (u otra teoría fundamental incluso más profunda), mucho más fundamental que la RG, incluso esta debería ser previamente cuantizada, en realidad debería serlo la gravedad, o lo que sería la solución real, descubrir la nueva ciencia, sobre todo matemática, que está más allá de lo que ahora conocemos y encontrar la teoría nueva y adecuada.

    Es probable que no lo veamos en estas generaciones, pues parece ser un problema demasiado difícil e incluso, alguna vez tenía que ser, estar fuera de nuestras capacidades.

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  4. Un comentario menor: Creo recordar haber leído en algún lugar que el propio Albert Einstein dijo en cierta ocasión que haber introducido la constante cosmológica había sido el gran error de su vida.

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    1. Al seguir tu consejo ("Puedes verlo aquí: El error de Einstein") he cerrado el círculo :-) Y es que la memoria reciente juega estas malas pasadas. Gracias!!

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  5. La materia ordinaria 5% y la materia oscura 25%,ambas tienen masa y tienden a atraer a todo lo que las rodea, por lo que su efecto es "contraer" al universo. La energía oscura es diferente, no tiene masa y es la que se expande y explica la expansión acelerada del universo, precisamente porque es más abundante (75%) de toda la existente y la fuerza resultante de expansión es mayor que las fuerzas atractivas de la gravitación (30% del total). Lo que muchos erróneamente han considerado "vacío", en realidad está plenamente lleno de una energía que todavía somos incapaces de percibir, porque sólo pensamos en partículas corpusculares que existen, pero que sólo son 30% de la energía existente.
    La Nada no existe y de ella Nada puede salir. Precisamente, lo último que intuyó Hacking es que lo que creemos vacío, es diferente que la Nada y su naturaleza es sutil y diferente que corpúsculos, pero es algo que está ahí y que debemos asumir, aunque no lo comprendamos. Si tercamente la negamos,nunca la podremos estudiar ni conocer. Este es un tema muy interesante que no debemos obviar por controvertido.

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    1. No es así, Gustavo. La suma de materia normal y oscura sólo es un 30% (5+25) de lo que haría falta para que el universo se contrajera. Con esa masa total, sin energía oscura, el universo se expandiría cada vez más despacio, eso sí, pero se expandiría. Si hay energía oscura (el otro 70% del valor crítico), el universo se expandirá aceleradamente. Para que el universo se contrajera, la masa total debería ser mayor que 100% del valor crítico y no debería haber energía oscura. Muy lejos, pues, del modelo cosmológico estándar. Suponiendo que este sea correcto...

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  6. Si es que al final vamos a estar como los antiguos griegos. El universo se formo de la conjunción de Caos y Éter, entendiendo Caos como un estado sin forma o estructura, un vacío, un abismo, algo que está abierto de par en par, una oscuridad infinita; y Éter como una especie de aire diferente del aire atmosférico. Porque, claro, si no existían aún estrellas y soles, necesariamente tenía que haber una oscuridad absoluta.

    Si hubo un Big Bang, tuvo que existir un espacio en el que se pudiera expandir la materia resultante de la Gran Explosión; ¿o es que el espacio se va creando a medida que se va expandiendo el Universo? Y antes de la Explosión no existía la materia clásica (ordinaria); ¿o sí?

    En fin, planteamientos y preguntas de un inexperto en la materia.

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    1. La radiación cósmica de fondo fue la primera luz del universo, muy anterior a las estrellas. Por lo tanto, primero fue la luz, y después las estrellas (:-)

      El espacio no se crea, se expande. O sea, la distancia entre dos galaxias alejadas aumenta con el tiempo. Eso parece indicar el corrimiento al rojo de su luz. No es que las galaxias se alejen, es que el espacio entre ellas aumenta de longitud. Lo curioso es que Einstein descubrió esto cuando aún no se sabía, y al principio se negó a aceptarlo. Por eso introdujo la constante cosmológica, para que su ecuación tuviera una solución estacionaria.

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    2. Unas duda que siempre tengo es, ¿el Universo contra que se expande? y en caso que la hipótesis del Multiverso sea correcta, ¿que hay entre un universo y otro?

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    3. A David Brumós: La contestación a esas dos preguntas depende de si hay multiverso o no, y de qué tipo de multiverso se trate. Hay seis teorías del multiverso, todas incompatibles entre sí. En el multiverso inflacionario, por ejemplo, nuestro universo se expandiría respecto a las zonas de ese multiverso que siguen estando en inflación, que serían las que separarían los distintos universos. Pero en el multiverso selectivo de Smolin, nuestro universo se expandiría contra el universo de nivel superior que le habría producido. Y si no hay multiverso, nuestro universo posiblemente no se expandiría contra algo, simplemente se expandiría.

      Aquí tiene un artículo sobre los multiversos:
      El multiverso y el problema del ajuste fino

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  7. Sr Manuel, acabo de leer una noticia que dice que se descubrio una galaxia sin materia oscura.
    https://m.prensa.com/salud_y_ciencia/Descubierta-primera-galaxia-materia-oscura_0_4995250508.html

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    1. Sí, lo había leído, pero de momento, como suele ocurrir con este tipo de noticias, el dato no es concluyente ni en un sentido ni en el otro.

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