La Energía que Acelera el Universo

A graphical representation of the expansion of the universe from the Big Bang to the present day, with the inflationary epoch represented as the dramatic expansion seen on the left. This visualization shows only a section of the universe; the empty space outside the diagram should not be taken to represent empty space outside the universe (which does not necessarily exist). By NASA/WMAP Science Team in https://en.wikipedia.org/wiki/Expansion_of_the_universe#/media/File:CMB_Timeline300_no_WMAP.jpg

Objetivos:

Terminada la lección podrás:

Explicar los conceptos fundamentales de la energía oscura y su relación con la cosmología moderna.

Elba M Sepulveda

La Energía que acelera el universo

La energía oscura, a menudo denominada “dark energy”, representa uno de los mayores enigmas de la cosmología moderna. Es una forma hipotética de energía que se postula para explicar la expansión acelerada del universo observada a partir de finales del siglo XX. Aunque su naturaleza fundamental permanece desconocida, los científicos han acumulado una cantidad significativa de evidencia indirecta sobre su existencia y sus efectos en la estructura a gran escala del cosmos.

¿Qué es la Energía Oscura?

En esencia, la energía oscura es una forma de energía intrínseca al espacio mismo, distribuida de manera notablemente uniforme por todo el universo. A diferencia de la materia ordinaria y la materia oscura, que ejercen una atracción gravitacional, la energía oscura se caracteriza por ejercer una presión negativa o una tensión en el espacio. Esta presión negativa actúa gravitacionalmente de manera repulsiva, lo que provoca que el tejido del universo se estire y, por lo tanto, que la distancia entre los objetos cósmicos aumente a un ritmo cada vez mayor.

Para visualizarlo, imagina el universo no como una explosión con una inercia decreciente, sino como un globo que se está inflando a un ritmo que se acelera con el tiempo. La energía oscura sería el agente responsable de este inflado acelerado.

¿Qué han Encontrado los Científicos?

La evidencia de la existencia de la energía oscura proviene principalmente de diversas observaciones astronómicas:

Supernovas de Tipo Ia:

El descubrimiento seminal de la expansión acelerada del universo en 1998 provino del estudio de supernovas de Tipo Ia en galaxias distantes. Estas supernovas tienen una luminosidad intrínseca casi constante, lo que las convierte en “candelas estándar” cósmicas. Al comparar su brillo aparente con su corrimiento al rojo (una medida de cuánto se ha estirado la luz debido a la expansión del universo), los astrónomos encontraron que estas supernovas estaban más lejos de lo que se esperaba para un universo en expansión desacelerada. Esto implicaba que la expansión del universo se había acelerado en los últimos miles de millones de años.

Fondo Cósmico de Microondas (CMB):

Fondo de radiación cósmica. — Fondo de radiación cósmica por NASA / WMAP Science Team – http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/ilc_9yr_moll4096.png, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=23285693

El Fondo Cósmico de Microondas es la radiación remanente del Big Bang. Sus sutiles fluctuaciones de temperatura contienen una gran cantidad de información sobre la composición y geometría del universo temprano. Los análisis detallados del CMB, realizados por misiones como COBE, WMAP y Planck, sugieren que el universo es espacialmente plano (o muy cercano a serlo). Sin embargo, la cantidad de materia ordinaria y materia oscura que observamos solo representa alrededor del 30% de la densidad de energía necesaria para producir esta planitud. La energía oscura se postula para constituir el restante aproximadamente 70% de la densidad de energía del universo.

Estructura a Gran Escala del Universo:

La distribución de las galaxias y los cúmulos de galaxias a gran escala también proporciona evidencia de la energía oscura. La tasa de expansión del universo influenciada por la energía oscura afecta la forma en que se agrupan la materia. Las observaciones de las oscilaciones acústicas de bariones (BAO), que son fluctuaciones características en la densidad de la materia bariónica (ordinaria) en el universo, actúan como “reglas estándar” de gran escala.

Al medir el tamaño aparente de estas oscilaciones a diferentes corrimientos al rojo, los científicos pueden inferir la historia de la expansión del universo y encontrar consistencia con un universo dominado por la energía oscura.

Lentes Gravitacionales:

La energía oscura también influye en la forma en que la luz se curva alrededor de objetos masivos (lentes gravitacionales). Al estudiar la distorsión de la luz de galaxias distantes por la masa de objetos más cercanos, los cosmólogos pueden obtener información sobre la distribución de la materia y la geometría del espacio, lo que nuevamente apoya la existencia de la energía oscura.

Esquema de trayectorias de luz en una lente gravitatoria. Las imágenes de objetos distantes adquieren forma de arcos rodeando el objeto masivo intermedio. Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=112602

Estudios de Cúmulos de Galaxias:

La abundancia y la evolución de los cúmulos de galaxias a lo largo del tiempo también son sensibles a la tasa de expansión del universo. Las observaciones de cúmulos de galaxias en diferentes épocas cósmicas son consistentes con un universo en expansión acelerada impulsado por la energía oscura.

This image, called the Hubble eXtreme Deep Field (XDF), combines Hubble observations taken over the past decade of a small patch of sky in the constellation of Fornax. With a total of over two million seconds of exposure time, it is the deepest image of the Universe ever made, combining data from previous images including the Hubble Ultra Deep Field (taken in 2002 and 2003) and Hubble Ultra Deep Field Infrared (2009). The image covers an area less than a tenth of the width of the full Moon, making it just a 30 millionth of the whole sky. Yet even in this tiny fraction of the sky, the long exposure reveals about 5500 galaxies, some of them so distant that we see them when the Universe was less than 5% of its current age. The Hubble eXtreme Deep Field image contains several of the most distant objects ever identified. In Wikipedia Commons in https://en.wikipedia.org/wiki/Galaxy#/media/File:The_Hubble_eXtreme_Deep_Field.jpg

Resumen

En conclusión, la energía oscura es una componente dominante pero misteriosa del universo. Su descubrimiento ha revolucionado nuestra comprensión de la cosmología, planteando preguntas fundamentales sobre la naturaleza del espacio, el tiempo y el destino final del cosmos. La búsqueda para comprender la energía oscura es uno de los desafíos más emocionantes y activos de la ciencia moderna.