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El pasado Viernes 06 de Septiembre de 2019, el compañero Plácido Montoto nos dio una charla sobre la energía oscura.

Ahí va una foto del ponente poco antes de empezar la charla.

Para hablar de la energía oscura, tenemos que remontarnos a principios del siglo XX. En concreto a Albert Einstein y sus teorías de la relatividad especial y general. De sus ecuaciones, se derivaba que el Universo estaba expandiéndose o contrayéndose. Esto no le gustaba a Einstein, que era partidario de un universo estacionario. Creó la que él llamó «constante cosmológica» para que sus ecuaciones cuadraran con su modelo cosmológico preferido. Unos años después, dijo que era el mayor error de su carrera.

En esa época, el conocimiento que teníamos del tamaño del Universo era casi nulo. No se conocía el tamaño de la Vía Láctea, ni si había algo más allá de la Vía Láctea.

Posteriormente, el sacerdote y cosmólogo George Lemaitre dijo que las ecuaciones de Einstein eran correctas, y que el Universo se está expandiendo. Todavía no se sabía el tamaño del Universo. Por esa época, Hubble empezó sus investigaciones. Un punto importante de sus investigaciones fueron las estrellas Cefeidas. Son estrellas variables. Para conocer el tamaño del Universo, debemos saber la distancia a las cosas. Fue Henrietta Leavitt la que descubrió las estrellas cefeidas. Hay una relación entre su brillo y su período. Son gigantes rojas que se contraen y se expanden. El mecanismo era conocido, y al haber varias en la Vía Láctea, se pudo comprobar una relación entre su período y su luminosidad. A partir de ahí, podemos saber si están lejos o cerca. Hubble encontró cefeidas en la nebulosa de Andrómeda, y descubrió que el Universo era más grande que la Vía Láctea. Posteriormente, fueron apareciendo más galaxias. Hubble también descubrió que salvo la galaxia de Andrómeda y algunas pocas más, las demás se estaban alejando de nosotros. Hubble llegó a la conclusión de que el Universo se estaba expandiendo. Y que cuando más lejos estaban las galaxias, más rápidamente se alejaban. Pero antes de seguir con este razonamiento, tenemos que volver a los años 30, y al astrónomo Fritz Zwicky.

Vamos a hablar de la materia oscura. Zwicky, estudiando el movimiento de las galaxias del Cúmulo de Coma, se dio cuenta de que las galaxias se movían de una forma que no correspondía con su masa. Debía haber masa oculta que no se veía en ningún rango de longitud de onda. Zwicky predijo que debía haber materia oscura, pero esto cayó en el olvido. La idea fue abandonada hasta que en los años 70 Vera Rubin se dio cuenta de que las galaxias rotaban de una forma muy rara. Y es que rotaban como un disco sólido, lo cual es imposible por su materia. Cuando algo gira, cuanto más lejos está del centro, la gravedad afecta menos, por lo que debe rotar más lentamente para compensar su menor atracción gravitatoria. Eso se ve en el Sistema Solar con las leyes de Newton. Pero Rubin descubrió que la parte exterior de las galaxias gira a la misma velocidad que la parte interior. Eso demuestra que hay materia oscura que hace que la galaxia se comporte como un objeto sólido.

La materia oscura no se puede ver, solo se ven sus efectos gravitatorios. No sabemos lo que es. Estos descubrimientos se ven muy bien en el Cúmulo Bala. Son dos galaxias que chocan. Aclarar que cuando chocan dos galaxias no hay choque de estrellas. El conjunto se deforma. La materia oscura adelanta a las galaxias. En la foto de abajo, en azul está la materia oscura. Y analizando las fotos, se ve que la materia oscura ha creado un efecto de «lente gravitatoria».

Volvemos a tratar de la energía oscura. Volvemos a Hubble, y a sus observaciones de que el Universo se estaba expandiendo. La primera tasa de expansión del Universo que calculó Hubble fue de 600 Km/s por megaparsec. Un objeto a un megaparsec de distancia se aleja de nosotros a 600 Km/s. A dos megaparsec, a 1200 km/s. Los métodos se fueron refinando. Durante un tiempo, las cefeidas fueron un método bueno para calcular distancias. Pero en los años 50 se dieron cuenta de que había dos tipos de cefeidas. Sus brillos y períodos no tienen nada que ver. Al corregir, hubo que aumentar la distancia a la que se encontraba la galaxia de Andrómeda. La velocidad de expansión del Universo se fue reduciendo. Hoy en día estamos en 70 km/s por megaparsec. Se ha reducido en un 90% desde que la calculara Hubble.

Lo indudable es que el Universo se está expandiendo. Si se está expandiendo, antes tuvo que estar contraído. A partir de ahí, surgió la teoría del Big Bang. Todo se va acercando hasta que ocupa un punto infinitesimal. Esto estaba claro hasta que en 1998, dos equipos de astrónomos de USA decidieron calcular si se estaba frenando la expansión del Universo.  Podemos asimilar el Big Bang a una gran explosión. Como toda explosión donde afecta la gravedad, tendrá que haber un momento en que la gravedad se imponga, y haga que la expansión se frene. La sorpresa de los astrónomos fue que la expansión del Universo no se estaba frenando, sino que se estaba acelerando. Eso va en contra de todas las teorías que había hasta esa época. El Universo debería contraerse, y llegar a un Big Crunch. Los astrónomos decidieron que tenía que haber algo que lo acelerase. No se sabía qué tipo de energía, pero está ahí. El Universo tiene 13.800 millones de años. La expansión del Universo se ha ido acelerando en los últimos 5.000 millones de años.

Al principio, con el universo pequeño, pasa como en la Tierra, que domina la gravedad. Pero al llegar a los 8.000 millones de edad bajó la densidad de materia tanto que empezó a predominar la energía oscura. No sabemos lo que es, pero tiende a expandir.

Aquí, debemos echar mano de la Física de Partículas. El principio de indeterminación de Heisenberg dice que no se puede saber en un momento dado sobre una partícula si tiene una velocidad y una masa concretas. Podemos saber una cosa o la otra. ¿Qué tiene que ver eso con la energía oscura? Pues que eso se aplica no solo a las partículas sino también al espacio. Si en el espacio vacío no hubiera energía estaríamos violando el principio de indeterminación de Heisenberg, que hasta ahora todos los experimentos han demostrado que es correcto. No puede haber una cantidad cero de energía en el espacio vacío. Puede ser un tipo de energía oscura.

Hablemos ahora de la estructura del Universo. Las estrellas se agrupan en galaxias, las galaxias se agrupan en cúmulos, los cúmulos en supercúmulos, y los supercúmulos en filamentos de materia que es la superestructura del Universo. Esa es como una esponja. La materia se tiende a agrupar en filamentos, y quedan grandes espacios vacíos ( de cientos de millones de años-luz de diámetro). La Vía Láctea forma parte del Grupo Local. Que está al borde de un filamento que se conoce como Gran Muralla. En los espacios vacíos, la expansión del Universo se produce más deprisa. ¿Y dónde se acaba la expansión? El espacio se expande, pero la Tierra no se expande. El Sistema Solar y la Vía Láctea son objetos sólidos. Se considera objeto sólido todo lo que se mueve relacionado por la gravedad.  Pero la materia ordinaria es básicamente vacío. En el Sistema Solar, hay mucho vacío. Y los átomos también tienen mucho vacío. En la práctica, todo lo que hay es vacío. ¿Por qué el espacio se expande y nosotros no? Una conclusión que se puede deducir es que los espacios vacíos se expanden más: se llama «brackreaction». Donde no hay materia, domina la expansión del espacio, domina la energía oscura. Aquí en la Tierra donde la materia es de alta densidad, y dominan la gravedad, la fuerza electromagnetica, y las fuerzas nucleares fuerte y débil, la expansión sería mínima, incluso nula. Esas fuerzas serían superiores que la fuerza de expansión del Universo.

Volvamos al Big Bang. Tenemos una cantidad de materia infinita concentrada en un punto infinitesimal. Llega a ser un punto nulo, sin medidas. ¿Eso qué es? Pues, un agujero negro. Estamos dentro de un agujero negro.

Se han hecho cálculos del porcentaje de materia en el Universo. Las cifras varían de un autor a otro, pero básicamente hay:

70% de energía oscura.

25% de materia oscura

5% de materia ordinaria.

Con esto, terminó la conferencia. Fue seguida de un turno de preguntas que se extendió durante media hora, debido al interés que suscitó la conferencia del compañero Plácido.

Texto y fotos cortesía Posete