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Las teorías de la energía oscura se derrumban

la colisión de estrellas de neutrones borra la comprensión de los científicos de la fuerza misteriosa


Las teorías de la energía oscura se derrumban
Un artista imagina estrellarse estrellas de neutrones. Crédito de la imagen: MARK GARLICK / UNIVERSITY OF WARWICK

Por Thomas Kitching, para Newsweek • Diciembre 13 de 2017


Hubo mucha emoción cuando los científicos presenciaron la violenta colisión de dos estrellas masivas y densas a más de 100 millones de años luz de la Tierra a principios de este año. No solo captaron las ondas gravitacionales resultantes (ondas en el tejido del espacio-tiempo) sino que también vieron un destello de luz prácticamente instantáneo. Esto es emocionante en sí mismo y fue la primera evidencia directa de una fusión de estrellas de neutrones.

Pero desde la perspectiva de un cosmólogo, el foto-acabado de las ondas gravitatorias y el destello de luz ha destruido años de investigación en un problema completamente no relacionado: ¿Por qué se está acelerando la expansión del universo?

Resulta que el espacio y el tiempo son en realidad mutables, flexibles, flexibles y ondulantes, en lugar de constantes, fijos o inamovibles. Esto se conoce desde que Einstein publicó su teoría de la relatividad general, que explica cómo la gravedad deforma el espacio-tiempo. Los efectos sutiles que causa esta mutabilidad deben tenerse en cuenta, incluso en el GPS que hace que funcionen tu navegador y tu iPhone.

Una predicción de la teoría de Einstein fue que debería ser posible que el espacio-tiempo tenga ondas, como la superficie del mar. Estos serían visibles si uno pudiera, por ejemplo, unir dos agujeros negros ... Esta predicción fue dramáticamente vista en la primera detección de ondas gravitacionales por el experimento LIGO en 2015. El descubrimiento abrió una nueva forma de sondear el cosmos, y fue galardonado con el Premio Nobel de física.

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Algo está empujando al cúmulo de galaxias SDSS aparte. Crédito de la imagen: K SHARON / TEL AVIV UNIVERSITY / E OFEK / CALTECH) / ESA / NASA

La nueva detección de ondas gravitacionales de la fusión de estrellas de neutrones también tiene profundas implicaciones para nuestra comprensión del universo. Sin embargo, para los cosmólogos fue el destello de luz 1.7 segundos después de las ondas gravitatorias la observación más intrigante.

La cámara de velocidad cósmica

El retraso de 1,7 segundos es importante porque significa que las ondas gravitatorias y las ondas de luz han estado viajando casi a la misma velocidad. De hecho, estas son dos de las velocidades observadas más parecidas jamás vistas: las dos solo difieren en una parte en 10 millones de millones.

Para poner esto en contexto, si las cámaras de velocidad en el camino pudieran medir las diferencias de velocidad, esta sería la mejor opción para ir a 30.0000000000000001mph en una zona de 30 millas por hora.

Comparado con las mejores mediciones que los cosmólogos esperaban en el futuro, este es un factor de un millón de millones de veces mejor. Teniendo en cuenta que las ondas electromagnéticas pueden haber tomado un poco de tiempo para escapar de la agitación de una colisión de estrella de neutrones, para todos los efectos la diferencia de velocidad es cero.

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La Cámara de Energía Oscura del International Dark Energy Survey captura galaxias en el clúster cercano de Fornax, 18 de agosto de 2014. Crédito de la imagen: DARK ENERGY SURVEY

La cosmología está en un pequeño aprieto. Tenemos un gran modelo que puede explicar la evolución del universo desde una fracción de segundo antes del Big Bang, hasta ahora aproximadamente 14 mil millones de años después. El problema es que para explicar todas las observaciones, se debe agregar una misteriosa energía llamada "energía oscura" a los modelos. La energía oscura es un gran problema, representa alrededor del 70 por ciento de toda la energía en el universo, y no tenemos absolutamente ninguna idea de lo que es.

La energía oscura es como un efecto antigravitacional que está empujando al universo y haciendo que su expansión se acelere. Entonces, para explicar la energía oscura, los cosmólogos han intentado cambiar o reemplazar la teoría de Einstein para ver si una nueva teoría del espacio-tiempo podría finalmente explicar los efectos de la energía oscura.

Una forma en que los cosmólogos intentaron hacer esto fue cambiando la velocidad con la que viajaban las ondas gravitatorias y la luz. Había muchas teorías diferentes que tenían este componente, cada una con un nombre peculiar como galileas quínticas y quínticas, teorías vector-tensoriales, teorías de proca generalizadas, teorías de la bigravidad, etc. Sin datos, cualquiera de las teorías podría haber sido correcta, y había muchas personas con la esperanza de que podrían ser el próximo Einstein o Newton.

¿Donde nos encontramos ahora?

Pero ahora, en una sola observación de una única fusión de estrellas de neutrones, una gran variedad de estos han sido enviados al cubo de basura cosmológico en una ráfaga de papeles (aquí, aquí, aquí, aquí, aquí y aquí). Entonces no hay nuevos Einstein todavía.

A falta de datos convincentes, aún es posible actualizar a Einstein para que podamos dar cuenta de la energía oscura. Pero los movimientos de los datos de la onda gravitacional han dejado muy poco margen de maniobra.

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Un artista representa el conjunto de kilómetros cuadrados terminado. Crédito de la imagen: SWINBURNE ASTRONOMY PRODUCTIONS / SKA PROJECT DEVELOPMENT OFFICE

Todas las teorías que han sobrevivido a la poda son mucho más simples que las que se permitieron antes; y la teoría más simple, y la más avanzada, es que la energía oscura es la energía del espacio vacío, y simplemente tiene el valor que observamos.

Otra explicación que ha sobrevivido es que es un campo similar al de Higgs. El ahora famoso bosón de Higgs es una manifestación de un "campo de Higgs", el primer "campo escalar" observado en la naturaleza. Este es un campo que tiene un valor en cada punto del espacio-tiempo, pero no tiene dirección. Una analogía sería un mapa de presión en un pronóstico del tiempo (valores en todas partes pero sin dirección). Un mapa de viento, por otro lado, no es un campo escalar ya que tiene velocidad y dirección general. Además de Higgs, todas las partículas en la naturaleza están asociadas con "campos cuánticos" que no son escalares. Pero al igual que el Higgs, la energía oscura podría ser una excepción: un campo escalar omnipresente que empuja al universo en todas direcciones.

Afortunadamente, no tendremos que esperar mucho antes de que los nuevos telescopios pongan a prueba las teorías restantes y se complete una gran parte del rompecabezas cosmológico.


Thomas Kitching es conferencista en Astrofísica, UCL

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