Energía Oscura

La energía oscura es un tipo de energía exótica que está inherentemente ligado al espacio, que solo es capaz de interactuar mediante la gravedad. Su principal efecto es la aceleración de la expansión del universo, por lo que ejerce una fuerza gravitacional repulsiva que separa las galaxias, a pesar de su atracción gravitacional.

Galaxia en espiral, resultado de una colisión de galaxias

La energía oscura es uno de los grandes misterios de la física moderna, puesto que todavía no existe suficiente evidencia observacional y experimental que apoye la teoría de alguno de los tanto modelos propuestos. Sin embargo, la corriente ortodoxa de la física, en el modelo cosmológico estándar, establece que la energía oscura es descrita por la constante cosmológica de Einstein, la cual es una densidad energética propia del universo, una propiedad del espacio vacío.

El hecho de que la energía oscura se mantenga misteriosa es sorprendente, ya que este tipo de energía aporta aproximadamente el 68,3% de la masa del universo, según las estimaciones efectuadas bajo el modelo estándar de la cosmología, sin embargo ésta resulta ser muy poco densa, del orden de los 10-29gr/cm3. Es probable que se necesite una nueva física, que transcienda las limitaciones de los modelos aceptados y que comprenda una teoría de gravedad cuántica.

Cómo se produce

Bing Bang, teoría del origen del universo.

Según el modelo estándar de cosmología (Lambda-CMB), la energía oscura es producida por el propio universo, como un costo por tener espacio. Este costo técnicamente es conocido como constante cosmológica, y es un elemento clave en la ecuación de la relatividad general para describir la evolución del universo.

La constante cosmológica es una especie de energía de vacío, incorporada a cualquier volumen de espacio. Por ello, la constante cosmológica, como energía oscura, es capaz de mantener constante su densidad energética a pesar que el volumen del espacio se incremente. Esta propiedad de la energía oscura le otorga la capacidad de ejercer una presión negativa, que repele en lugar de atraer partículas masivas.

La energía oscura ha estado presente desde el mismo inicio del universo, pero actualmente se ha vuelto intensa gracias a la constancia de su densidad, mientras que la densidad de la materia (corriente y oscura) ha ido decreciendo con la expansión del universo, que empezó a acelerarse hace aproximadamente 600 millones de años.

Cómo funciona

Para entender cómo funciona la energía oscura bajo las matemáticas del modelo cosmológico estándar conviene tratar 3 características, o fundamentos, de la física incompleta de la energía oscura, que hasta ahora han sido verificados por observaciones y/o aceptados por la comunidad científica.

Materia oscura, simulación.
  • Presión negativa: a diferencia de un líquido normal que, almacenado en un contenedor, empuja (presión positiva) a las paredes internas, la energía oscura ejerce una presión opuesta, que dado el caso, jalaría las paredes internas de cualquier contenedor en el que fuera depositada. En la teoría de la relatividad general, la presión negativa de la energía oscura provoca una repulsión gravitacional, observada como la expansión cósmica.
  • Densidad constante: al ser descrita como constante cosmológica, la energía oscura tiene la capacidad para mantener su densidad energética constante, mientras el espacio se expande; una cualidad que la materia no posee. Esto se debe a efectos termodinámicos, que a su vez, le proporcionan la interacción gravitacional repulsiva anteriormente descrita.
  • Fluctuaciones cuánticas del vacío: así como la energía oscura está asociada a la constante cosmológica, también lo está con la energía del vacío. En mecánica cuántica el vacío no es del todo vacío, ya que en él interactúan un sinfín de campos cuánticos, los cuales oscilan, variando su energía en función del tiempo. La interacción de todos los campos cuánticos es el motor que enciende la energía oscura.

Cuáles son las evidencias de la existencia de energía oscura

La existencia de energía oscura es uno de los asuntos que al que los físicos le han dedicado bastante tiempo de investigación, por lo que ha quedado saldado, pero por medio de observaciones indirectas:

Expansión del Universo, representación gráfica.
  1. La medición de distancias cósmicas y sus relaciones de corrimiento al rojo, que sugieren que el universo se expande aceleradamente.
  2. Observaciones cosmológicas, sustentadas por el fondo cósmico de microondas, indican que el universo es plano. Por ello, se requiere un nuevo tipo de entidad física, diferente a la materia ordinaria y a la materia oscura, para explicar este hecho.
  3. Medidas de los patrones de onda a gran escala de la densidad de masa del universo.

Fórmula matemática

Es importante aclarar que por ahora no existe una fórmula matemática precisa para describir la naturaleza de la energía. Sin embargo, el modelo cosmológico estándar emplea la ecuación de campo de Einstein para describir la evolución dinámica de un universo en expansión acelerada.

\[R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}*R*g_{\mu\nu}+\Lambda* g_{\mu\nu}=\frac{8*\pi*G}{c^{4}}*T_{\mu\nu} \]

Dónde:

  • Rμν: Tensor de Ricci.
  • gμν: Tensor métrico.
  • Λ: Constante cosmológica.
  • R: Escalar de Ricci.
  • Tμν: Tensor energía-impulso.
  • G: Constante de gravitación universal (6,67×10-11m3*kg-1*s-2).
  • c: Velocidad de la luz (3×105km/s).