¿Terminará nuestro Universo en una quietud fría y oscura? ¿Acabará la expansión en una temperatura que alcance la temperatura del cero absoluto (-273,15 ºC) dón el sistema quedará quieto, nada se moverá?

          Catherine Heymans, física, y especialista en materia oscura en la Fundación BBVA, en Madrid

Pregunta. Su trabajo consiste en ir más allá del modelo estándar de física que explica muy bien el comportamiento de la materia visible, pero ignora qué es esa materia oscura que tiene efectos en cómo se mueven las galaxias, y la energía oscura que hace que el universo se expanda cada vez más rápido. ¿Qué sabemos de esos dos componentes oscuros del universo?

Respuesta. Conocemos la materia oscura desde hace más tiempo que la energía oscura y hemos tenido más tiempo para investigarla y descartar teorías. Ahora estamos llegando al punto donde si nuestras mejores teorías sobre lo que es la materia oscura fuesen ciertas, deberíamos haber encontrado ya la partícula que compone la materia oscura en el CERN, debería haber sido detectada ya en uno de los aceleradores. Pero no ha sido así. Eso sugiere que nuestros modelos de la materia oscura no son suficientes y necesitamos teorías más complejas.

La energía oscura por otro lado es un mundo de misterio completamente nuevo y excitante. La energía oscura es algo que conocemos desde hace algo menos de veinte años. Ahora estamos acumulando datos con diferentes formas de detectarla para tratar de descubrir su origen.

Hay gente que está tratando de unir las dos cosas, encontrar una teoría que las pueda explicar a la vez. Pero hay todo un zoológico de teorías diferentes tratando de explicar sus componentes.

“Aunque no se hayan probado experimentalmente, se han utilizado simulaciones por ordenador de miles de millones de partículas de materia oscura para confirmar que el modelo de materia oscura fría de la formación de estructuras es consistente con las estructuras observadas en el Universo mediante las observaciones de galaxias, como la Sloan Digital Sky Survey y la 2dF Galaxy Redshift Survey, así como las observaciones del bosque Lyman-alfa. Estos estudios han sido cruciales en la construcción del modelo Lambda-CDM que mide los parámetros cosmológicos, incluyendo la parte del Universo formada por bariones y la materia oscura.” (Esto es un añadido que no forma parte de la entrevista, y, nos demuestra que, los científicos andan muy perdidos y no saben cómo será esa realidad que persiguen).

P. Con lo que sabemos ahora sobre la materia oscura, ¿cree que seremos capaces de detectarla pronto?

R. El CERN ya ha realizado obras de mejora desde que encontraron el bosón de Higgs y van a hacer una más en breve. Esperaban encontrar partículas de materia oscura con la mejora actual y no lo han logrado. Quizá con la siguiente lo consigan, pero ya han descartado los modelos más simples que tratan de explicar la materia oscura y se están empezando a preocupar porque habitualmente los modelos más simples suelen ser los correctos.

P. ¿Será necesaria una nueva teoría física como la de la Relatividad de Einstein para comprender la materia y la energía oscuras?

R. La Relatividad General es una de las teorías mejor comprobadas. Explica muy bien cómo giran los planetas alrededor del sol o cómo se curva la luz que llega desde las estrellas. Pero solo trata de una parte diminuta de nuestro universo en una región muy densa de nuestra galaxia. ¿Quién puede decir si la gravedad funcionaría igual a una escala mayor? Nunca se ha puesto a prueba.

Lo que estamos haciendo ahora es llevar a cabo nuevos mapas para probar el funcionamiento de la gravedad a gran escala en nuestro universo. Podría ser que la gravedad funciona diferente en un lugar muy denso con gran cantidad de materia como nuestra galaxia que en otros lugares. Einstein dijo que la gravedad curva el espacio y el tiempo del mismo modo, que no había diferencia entre el espacio y el tiempo. Sin embargo, sabemos que es diferente. El tiempo solo se mueve en una dirección, pero puedo saltar en cualquier dirección en el espacio. Quizá la gravedad funciona diferente en el espacio y el tiempo. Estas son las preguntas que estamos haciendo. Estamos en una etapa en la que no entendemos lo que vemos, así que tenemos que cuestionar el núcleo de nuestra comprensión de la física para tratar de entender lo que vemos.

P. ¿Están buscando algún tipo de observación específica?

R. La técnica de la que he sido pionera durante mi carrera es el efecto de lente gravitacional. La idea es que miras a galaxias en el universo muy lejano, y vemos que hay cúmulos de materia oscura en medio. Cuando la luz de estas galaxias viaja hasta el observador se curva por los efectos de la gravedad. Lo que hacemos es tomar imágenes de millones de galaxias en el universo lejano y luego estudiamos cómo se ha curvado y distorsionado la luz que llega hasta nosotros. Eso nos permite hacer un mapa de toda la materia oscura entre nosotros y el universo lejano.

Las galaxias viven en el interior de la materia oscura y se están moviendo. Cuanta más materia oscura hay, más rápido se mueve la galaxia. Esa es otra forma de medir la gravedad. Lo que hacemos es combinar esas dos medidas, el de la lente gravitacional y el movimiento de las galaxias que nos permite medir directamente la gravedad en grandes escalas, tanto en el espacio como en el tiempo. Eso nos permite ver si la gravedad está evolucionando con el tiempo y si afecta de manera distinta al espacio y al tiempo.

La energía oscura es una forma de materia o energía presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Considerar la existencia de la energía oscura es la manera más frecuente de explicar las obervaciones recientes de que el universo parece estar en expansión acelerada. Según el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del universo.

El término materia oscura alude a la materia cuya existencia no puede ser detectada mediante procesos asociados a la luz, es decir, no emiten ni absorben radiaciones electromagnéticas, así como no interaccionan con ella de modo que se produzcan efectos secundarios que se puedan observar; esta materia ha sido inferida solamente a través de sus efectos gravitacionales.
La materia oscura se divide en materia oscura bariónica y materia oscura no bariónica. La no bariónica a su vez, se divide en tres partes. La materia no bariónica caliente, la cual se mueve ultrarrelativistamente, la materia no bariónica templada, que se mueve relativistamente, y la materia bariónica fría, que no se mueve relativistamente.

De acuerdo con las observaciones actuales de estructuras de una galaxia, así como la cosmología del Big Bang, se ha determinado que la materia oscura ocuparía un 21% de la masa del Universo observable y la energía oscura un 70%, lo que hace entre las dos un 91% de materia del Universo.

No se debe confundir la energía oscura con la materia oscura, ya que, aunque ambas forman la mayor parte de la masa del Universo, la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energía oscura se asocia a un campo que ocupa todo el espacio

          Historia de la energía oscura… … los cosmólogos se enfrentaban a dos posibilidades: o bien el 68 % del Universo está compuesto de un nuevo y exótico componente denominado energía oscura …

España está involucrada en un proyecto llamado Euclid. Es un gran proyecto europeo que consiste en un telescopio espacial que se lanzará en 2020. Va a hacer una exploración de todo el cielo. Con esos datos vamos a poder ver cómo la gravedad está curvando el espacio-tiempo y cómo eso cambia con el tiempo, y esperamos que nos permita comprender el origen de esta materia oscura y probar estas teorías que pueden ayudar a explicar la materia oscura y la energía oscura. Necesitamos más datos para confrontar la diversidad de teorías que tenemos.

P. Si tuviese que elegir una teoría sobre lo que es la energía oscura, ¿cuál sería?

R. La explicación más simple es que esta energía extra procede del vacío. Hay grandes regiones de nuestro universo en las que no hay absolutamente nada, no hay gas, ni materia oscura, nada de nada. Pero la física cuántica nos dice que puedes tener partículas virtuales que pueden surgir y desaparecer, como si apareciese en el espacio por arte de magia. Parece una locura, pero es un fenómeno que hemos medido en laboratorios. Tienes un vacío y a través de fluctuaciones cuánticas se crean partículas en él. Si estas partículas virtuales aparecen, le dan energía al sistema, algo que puede causar una expansión que crea más vacío y más oportunidades para que estas partículas aparezcan. Es como que tienes esta máquina de movimiento perpetuo porque cuanto más rápido se expande el universo, más vacío se genera y más oportunidades se crean para que existan estas partículas virtuales que acaban produciendo más energía.

Esa es la teoría más simple. Es muy bonita y tiene base en nuestra comprensión de la física cuántica, pero el problema es que si calculas cuánta energía debería crear este mecanismo, nuestro universo no existiría porque se habría expandido hasta su desaparición hace tiempo. La energía oscura que medimos y causa esta aceleración es en realidad muy pequeña, un millón de veces más pequeña de lo que cabría esperar.

A la mayoría de los astrónomos les gusta esta teoría y piensan que es la mejor para explicar la energía oscura, pero de alguna manera ignoran el hecho de que estos números son incorrectos. La gente cree que cuando tengamos mejores medidas, se verá que estas teorías son las mejores para explicar nuestras observaciones.

Otra explicación es la que tiene en cuenta la existencia de múltiples universos. En el universo temprano tenemos el Big Bang. Nuestras mejores teorías nos dicen que el universo experimentó entonces un rápido periodo de inflación. Nuestro entendimiento fundamental de la física puede explicar esa inflación, pero es muy difícil detenerlo.

Muchas teorías sobre la inflación predicen que no se creará un solo universo sino muchos. Eso sugiere que no somos el único universo sino que hay otros. Hay una teoría según la cual cada vez que se crea un universo hay una nueva configuración de las constantes fundamentales que guían nuestro entendimiento de la física. La gravedad nos pega al suelo, pero en otro universo podría ser mucho más fuerte, que tengamos distintas constantes en distintos universos.

                                 Las distintas escalas del Universo

Y podría ser que este universo particular tiene una energía oscura muy extraña, y en estos múltiples universos la energía oscura existe, pero con diferente fuerza. La razón por la que estamos aquí es porque estamos en un universo en el que la energía oscura es baja y las estrellas y las galaxias se pueden formar y los planetas se pueden formar y la vida puede existir. Vivimos en un universo que es adecuado para la vida y eso podría ser una explicación por la que la energía oscura es tan débil. No me gusta esa teoría porque es difícil de poner a prueba, pero es una solución posible al problema. También aborda otras cuestiones como que muchas de las otras constantes fundamentales que explican nuestro universo son muy apropiadas para la vida. Si cambias estos parámetros aunque sea de una forma muy pequeña, las estrellas no se formarían, el ADN no se formaría.

Los universos (como los mundos), unos tendrán vida y otros nacerán muertos (Un adorno a la entrevista)

P. ¿Cree que las leyes de la física son arbitrarias, que podrían ser distintas en cada uno de esos universos?

R. Las leyes serían algo estable, pero las constantes variarían. La gravedad puede ser más fuerte o más débil en otros universos. Las leyes fundamentales de la física están bien ancladas a la lógica, pero lo que no se comprende es por qué tienen la fuerza que tienen. Pero hay muchos astrónomos a los que no les gusta esta idea porque no la pueden probar.

Nota del Blog: Después de todo esto, sabemos que seguimos… ¡Sin saber! Las hipótesis predominan.

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          Catherine Heymans, física, y especialista en materia oscura en la Fundación BBVA, en Madrid

Pregunta. Su trabajo consiste en ir más allá del modelo estándar de física que explica muy bien el comportamiento de la materia visible, pero ignora qué es esa materia oscura que tiene efectos en cómo se mueven las galaxias, y la energía oscura que hace que el universo se expanda cada vez más rápido. ¿Qué sabemos de esos dos componentes oscuros del universo?

Respuesta. Conocemos la materia oscura desde hace más tiempo que la energía oscura y hemos tenido más tiempo para investigarla y descartar teorías. Ahora estamos llegando al punto donde si nuestras mejores teorías sobre lo que es la materia oscura fuesen ciertas, deberíamos haber encontrado ya la partícula que compone la materia oscura en el CERN, debería haber sido detectada ya en uno de los aceleradores. Pero no ha sido así. Eso sugiere que nuestros modelos de la materia oscura no son suficientes y necesitamos teorías más complejas.

La energía oscura por otro lado es un mundo de misterio completamente nuevo y excitante. La energía oscura es algo que conocemos desde hace algo menos de veinte años. Ahora estamos acumulando datos con diferentes formas de detectarla para tratar de descubrir su origen.

Hay gente que está tratando de unir las dos cosas, encontrar una teoría que las pueda explicar a la vez. Pero hay todo un zoológico de teorías diferentes tratando de explicar sus componentes.

“Aunque no se hayan probado experimentalmente, se han utilizado simulaciones por ordenador de miles de millones de partículas de materia oscura para confirmar que el modelo de materia oscura fría de la formación de estructuras es consistente con las estructuras observadas en el Universo mediante las observaciones de galaxias, como la Sloan Digital Sky Survey y la 2dF Galaxy Redshift Survey, así como las observaciones del bosque Lyman-alfa. Estos estudios han sido cruciales en la construcción del modelo Lambda-CDM que mide los parámetros cosmológicos, incluyendo la parte del Universo formada por bariones y la materia oscura.” (Esto es un añadido que no forma parte de la entrevista, y, nos demuestra que, los científicos andan muy perdidos y no saben cómo será esa realidad que persiguen).

P. Con lo que sabemos ahora sobre la materia oscura, ¿cree que seremos capaces de detectarla pronto?

R. El CERN ya ha realizado obras de mejora desde que encontraron el bosón de Higgs y van a hacer una más en breve. Esperaban encontrar partículas de materia oscura con la mejora actual y no lo han logrado. Quizá con la siguiente lo consigan, pero ya han descartado los modelos más simples que tratan de explicar la materia oscura y se están empezando a preocupar porque habitualmente los modelos más simples suelen ser los correctos.

P. ¿Será necesaria una nueva teoría física como la de la Relatividad de Einstein para comprender la materia y la energía oscuras?

R. La Relatividad General es una de las teorías mejor comprobadas. Explica muy bien cómo giran los planetas alrededor del sol o cómo se curva la luz que llega desde las estrellas. Pero solo trata de una parte diminuta de nuestro universo en una región muy densa de nuestra galaxia. ¿Quién puede decir si la gravedad funcionaría igual a una escala mayor? Nunca se ha puesto a prueba.

Lo que estamos haciendo ahora es llevar a cabo nuevos mapas para probar el funcionamiento de la gravedad a gran escala en nuestro universo. Podría ser que la gravedad funciona diferente en un lugar muy denso con gran cantidad de materia como nuestra galaxia que en otros lugares. Einstein dijo que la gravedad curva el espacio y el tiempo del mismo modo, que no había diferencia entre el espacio y el tiempo. Sin embargo, sabemos que es diferente. El tiempo solo se mueve en una dirección, pero puedo saltar en cualquier dirección en el espacio. Quizá la gravedad funciona diferente en el espacio y el tiempo. Estas son las preguntas que estamos haciendo. Estamos en una etapa en la que no entendemos lo que vemos, así que tenemos que cuestionar el núcleo de nuestra comprensión de la física para tratar de entender lo que vemos.

P. ¿Están buscando algún tipo de observación específica?

R. La técnica de la que he sido pionera durante mi carrera es el efecto de lente gravitacional. La idea es que miras a galaxias en el universo muy lejano, y vemos que hay cúmulos de materia oscura en medio. Cuando la luz de estas galaxias viaja hasta el observador se curva por los efectos de la gravedad. Lo que hacemos es tomar imágenes de millones de galaxias en el universo lejano y luego estudiamos cómo se ha curvado y distorsionado la luz que llega hasta nosotros. Eso nos permite hacer un mapa de toda la materia oscura entre nosotros y el universo lejano.

Las galaxias viven en el interior de la materia oscura y se están moviendo. Cuanta más materia oscura hay, más rápido se mueve la galaxia. Esa es otra forma de medir la gravedad. Lo que hacemos es combinar esas dos medidas, el de la lente gravitacional y el movimiento de las galaxias que nos permite medir directamente la gravedad en grandes escalas, tanto en el espacio como en el tiempo. Eso nos permite ver si la gravedad está evolucionando con el tiempo y si afecta de manera distinta al espacio y al tiempo.

La energía oscura es una forma de materia o energía presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Considerar la existencia de la energía oscura es la manera más frecuente de explicar las obervaciones recientes de que el universo parece estar en expansión acelerada. Según el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del universo.

El término materia oscura alude a la materia cuya existencia no puede ser detectada mediante procesos asociados a la luz, es decir, no emiten ni absorben radiaciones electromagnéticas, así como no interaccionan con ella de modo que se produzcan efectos secundarios que se puedan observar; esta materia ha sido inferida solamente a través de sus efectos gravitacionales.
La materia oscura se divide en materia oscura bariónica y materia oscura no bariónica. La no bariónica a su vez, se divide en tres partes. La materia no bariónica caliente, la cual se mueve ultrarrelativistamente, la materia no bariónica templada, que se mueve relativistamente, y la materia bariónica fría, que no se mueve relativistamente.

De acuerdo con las observaciones actuales de estructuras de una galaxia, así como la cosmología del Big Bang, se ha determinado que la materia oscura ocuparía un 21% de la masa del Universo observable y la energía oscura un 70%, lo que hace entre las dos un 91% de materia del Universo.

No se debe confundir la energía oscura con la materia oscura, ya que, aunque ambas forman la mayor parte de la masa del Universo, la materia oscura es una forma de materia, mientras que la energía oscura se asocia a un campo que ocupa todo el espacio

                                          Historia de la energía oscura

España está involucrada en un proyecto llamado Euclid. Es un gran proyecto europeo que consiste en un telescopio espacial que se lanzará en 2020. Va a hacer una exploración de todo el cielo. Con esos datos vamos a poder ver cómo la gravedad está curvando el espacio-tiempo y cómo eso cambia con el tiempo, y esperamos que nos permita comprender el origen de esta materia oscura y probar estas teorías que pueden ayudar a explicar la materia oscura y la energía oscura. Necesitamos más datos para confrontar la diversidad de teorías que tenemos.

P. Si tuviese que elegir una teoría sobre lo que es la energía oscura, ¿cuál sería?

R. La explicación más simple es que esta energía extra procede del vacío. Hay grandes regiones de nuestro universo en las que no hay absolutamente nada, no hay gas, ni materia oscura, nada de nada. Pero la física cuántica nos dice que puedes tener partículas virtuales que pueden surgir y desaparecer, como si apareciese en el espacio por arte de magia. Parece una locura, pero es un fenómeno que hemos medido en laboratorios. Tienes un vacío y a través de fluctuaciones cuánticas se crean partículas en él. Si estas partículas virtuales aparecen, le dan energía al sistema, algo que puede causar una expansión que crea más vacío y más oportunidades para que estas partículas aparezcan. Es como que tienes esta máquina de movimiento perpetuo porque cuanto más rápido se expande el universo, más vacío se genera y más oportunidades se crean para que existan estas partículas virtuales que acaban produciendo más energía.

Esa es la teoría más simple. Es muy bonita y tiene base en nuestra comprensión de la física cuántica, pero el problema es que si calculas cuánta energía debería crear este mecanismo, nuestro universo no existiría porque se habría expandido hasta su desaparición hace tiempo. La energía oscura que medimos y causa esta aceleración es en realidad muy pequeña, un millón de veces más pequeña de lo que cabría esperar.

A la mayoría de los astrónomos les gusta esta teoría y piensan que es la mejor para explicar la energía oscura, pero de alguna manera ignoran el hecho de que estos números son incorrectos. La gente cree que cuando tengamos mejores medidas, se verá que estas teorías son las mejores para explicar nuestras observaciones.

Otra explicación es la que tiene en cuenta la existencia de múltiples universos. En el universo temprano tenemos el Big Bang. Nuestras mejores teorías nos dicen que el universo experimentó entonces un rápido periodo de inflación. Nuestro entendimiento fundamental de la física puede explicar esa inflación, pero es muy difícil detenerlo.

Muchas teorías sobre la inflación predicen que no se creará un solo universo sino muchos. Eso sugiere que no somos el único universo sino que hay otros. Hay una teoría según la cual cada vez que se crea un universo hay una nueva configuración de las constantes fundamentales que guían nuestro entendimiento de la física. La gravedad nos pega al suelo, pero en otro universo podría ser mucho más fuerte, que tengamos distintas constantes en distintos universos.

                                 Las distinas escalas del Universo

Y podría ser que este universo particular tiene una energía oscura muy extraña, y en estos múltiples universos la energía oscura existe, pero con diferente fuerza. La razón por la que estamos aquí es porque estamos en un universo en el que la energía oscura es baja y las estrellas y las galaxias se pueden formar y los planetas se pueden formar y la vida puede existir. Vivimos en un universo que es adecuado para la vida y eso podría ser una explicación por la que la energía oscura es tan débil. No me gusta esa teoría porque es difícil de poner a prueba, pero es una solución posible al problema. También aborda otras cuestiones como que muchas de las otras constantes fundamentales que explican nuestro universo son muy apropiadas para la vida. Si cambias estos parámetros aunque sea de una forma muy pequeña, las estrellas no se formarían, el ADN no se formaría.

Los universos (como los mundos), unos tendrán vida y otros nacerán muertos (Un adorno a la entrivsta)

P. ¿Cree que las leyes de la física son arbitrarias, que podrían ser distintas en cada uno de esos universos?

R. Las leyes serían algo estable, pero las constantes variarían. La gravedad puede ser más fuerte o más débil en otros universos. Las leyes fundamentales de la física están bien ancladas a la lógica, pero lo que no se comprende es por qué tienen la fuerza que tienen. Pero hay muchos astrónomos a los que no les gusta esta idea porque no la pueden probar.

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