La energía oscura se oculta tras campos fantasmas

Entre las muchas teorías que tratan de explicar la naturaleza de la energía oscura se encuentran la quintaesencia y los campos fantasmas, dos hipótesis formuladas a partir de los datos de satélites como Planck y WMAP. Ahora investigadores de Barcelona y Atenas plantean que ambas posibilidades son solo un espejismo en las observaciones y es el vacío cuántico el que podría estar detrás de esa energía que mueve nuestro universo.

Los cosmólogos consideran que unas tres cuartas partes del universo están constituidas por una misteriosa energía oscura que explicaría su expansión acelerada. La verdad es que no saben lo que puede ser, así que plantean posibles soluciones.
Una es que exista la quintaesencia, un agente invisible gravitatorio que en lugar de atraer, repele y acelera la expansión del cosmos. Desde el mundo clásico hasta la Edad Media, ese término hacía referencia al éter o quinto elemento de la naturaleza, junto a la  tierra, el agua, el fuego y el aire.

El estudio prueba que la ecuación de estado de la energía oscura puede simular campos de quintaesencia o fantasmas sin serlo

Otra posibilidad es la presencia de una energía o campo fantasma, cuya densidad aumenta con el tiempo provocando una aceleración cósmica exponencial. Esta llegaría a ser tan alta que podría romper las fuerzas nucleares en los átomos y poner fin al universo en unos 20.000 millones de años, en el llamado Gran Desgarro o Big Rip.
Los datos experimentales que sirven de base para estas dos hipótesis proceden de satélites como Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA. Las observaciones de las dos sondas son esenciales para resolver la denominada ecuación de estado de la energía oscura, una fórmula matemática que la caracteriza, igual que los estados sólido, líquido y gaseoso tienen la suya.
Pero ahora investigadores de la Universidad de Barcelona (UB) y la Academia de Atenas (Grecia) han utilizado los mismos datos satelitales para demostrar que el comportamiento de la energía oscura no necesita recurrir ni a la quintaesencia ni a la energía fantasma para ser explicado. Los detalles se publican en la revista Montly Notices of the Royal Astronomical Society.
"Nuestro estudio teórico demuestra que la ecuación de estado de la energía oscura puede simular un campo de quintaesencia, o incluso un campo fantasma, sin serlo en realidad; así que cuando observamos estos efectos a partir de las observaciones de WMAP, Planck y otros instrumentos, lo que estamos viendo es un espejismo", dice a Sinc Joan Solà, uno de los autores.

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Naturaleza de la energía oscura

La naturaleza exacta de la energía oscura es materia de debate. Se sabe que es muy homogénea, no muy densa, pero no se conoce su interacción con ninguna de las fuerzas fundamentales más que con la gravedad. Como no es muy densa, unos 10⁻²⁹ g/cm³, es difícil realizar experimentos para detectarla. La energía oscura tiene una gran influencia en el Universo, pues es el 70% de toda la energía y debido a que ocupa uniformemente el espacio interestelar. Los dos modelos principales son la quintaesencia y la constante cosmológica.

Presión negativa

La energía oscura causa la expansión del universo pues ejerce una presión negativa. Una sustancia tiene una presión positiva cuando empuja la pared del recipiente que lo contiene; este es el caso de los fluidos ordinarios (líquidos y gases de materia ordinaria). Una presión negativa tiene el efecto contrario, y un recipiente lleno de una substancia de presión negativa provocaría una presión hacia dentro del contenedor. De acuerdo con la Relatividad General, la presión de una substancia contribuye a su atracción gravitacional sobre otras cosas igual que hace su masa, de acuerdo con la ecuación de campo de Einstein:

Si la substancia es de presión negativa entonces su efecto es una repulsión gravitacional. Si el efecto gravitacional repulsivo de la presión negativa de la energía oscura es mayor que la atracción gravitacional causada por la propia energía, resulta una expansión del tipo que se ha observado. Por esa razón, se ha postulado que la expansión acelerada observada podría ser el efecto de presión negativa de una substancia exótica conocida como energía oscura. Otra posibilidad para explicar la expansión es postular una ecuación de campo con constante cosmológica positiva:

Donde ahora el tensor sería la parte asociada a materia con presión positiva. Para resolver la contradicción de que el empuje cause atracción o la contracción cause repulsión se considera que:

• El empuje de la presión positiva y el empuje de la presión negativa son fuerzas no gravitacionales que solamente mueven substancias en torno a su espacio interior sin cambiar el espacio en sí.
• Sin embargo, la atracción gravitacional (o repulsión) que causan opera sobre el propio espacio, disminuyendo (o incrementando) la cantidad de espacio entre las cosas. Esto es lo que determina el tamaño del Universo.
• No hay necesidad de que estos dos efectos actúen en la misma dirección. De hecho, actúan en direcciones opuestas.

Constante cosmológica

La explicación más simple para la energía oscura es que simplemente es el "coste de tener espacio"; es decir, un volumen de espacio tiene alguna energía fundamental intrínseca. Esto es la constante cosmológica, algunas veces llamada Lambda (de ahí el modelo Lambda-CDM) por la letra griega , el símbolo utilizado matemáticamente para representar esta cantidad. Como la energía y la masa están relacionadas por la ecuación , la teoría de la relatividad general predice que tendrá un efecto gravitacional. Algunas veces es llamada energía del vacío porque su densidad de energía es la misma que la del vacío. De hecho, muchas teorías de la física de partículas predicen fluctuaciones del vacío que darían al vacío exactamente este tipo de energía. Los cosmólogos estiman que la constante cosmológica es del orden de 10⁻²⁹g/cm³ o unos 10⁻¹²⁰ en unidades de Planck.
La constante cosmológica tiene una presión negativa igual a su densidad de energía, y así causa que la expansión del Universo se acelere. La razón por la que la constante cosmológica tiene una presión negativa se puede obtener a partir de la termodinámica clásica. La energía tiene que perderse desde dentro de un contenedor que se ocupe del contenedor. Un cambio en el volumen necesita el mismo trabajo que para un cambio de energía , donde es la presión. Pero la suma de energía en una caja de energía de vacío realmente se incremente cuando el volumen crece ( es positivo), porque la energía es igual a , donde (rho) es la densidad de energía de la constante cosmológica. Por tanto, es negativa y, de hecho, , significando que la ecuación de estado tiene la forma: , sin variación temporal.
Un gran problema pendiente es que muchas teorías cuánticas de campos predicen una gran constante cosmológica a partir de la energía del vacío cuántico, superior a 120 órdenes de magnitud. Esto casi se necesitaría cancelar, pero no exactamente, por un término igualmente grande de signo opuesto. Algunas teorías supersimétricas necesitan una constante cosmológica que sea exactamente cero, lo que no ayuda. El consenso científico actual cuenta con la extrapolación de pruebas empíricas donde son relevantes las predicciones y el ajuste fino de las teorías hasta que se encuentre una solución más elegante. Técnicamente, esto se suma a las teorías de comprobación contra observaciones macroscópicas. Lamentablemente, como el margen de error conocido en la constante predice el destino final del Universo más que su estado actual, todavía continúan sin conocerse muchas preguntas "más profundas".
Otro problema aparece con la inclusión de la constante cosmológica en el modelo estándar que es la aparición de soluciones con regiones de discontinuidades con una baja densidad de materia. La discontinuidad también afecta al signo pasado de la energía del vacío, cambiando la actual presión negativa a presión atractiva, de la misma forma que se mira hacia atrás, hacia el Universo primigenio. Este hallazgo debería ser considerado como una deficiencia del modelo estándar, pero sólo cuando se incluye un término de vacío.
A pesar de sus problemas, la constante cosmológica es en muchos aspectos la solución más económica al problema de la aceleración de la expansión del Universo. Un número explica satisfactoriamente una multitud de observaciones. Así, el modelo estándar actual de cosmología, el modelo Lambda-CDM, incluye la constante cosmológica como una característica esencial.

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¿Qué es la Energía Oscura?

En cosmología física, la energía oscura es una forma de materia oscura o energía que estaría 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 observaciones recientes de que el Universo parece estar en expansión acelerada. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.
Temas relacionados con la energía oscura son la constante cosmológica, una energía de densidad constante que llena el espacio en forma homogénea la Teoría cuántica de campos y la quintaesencia, como campos dinámicos cuya densidad de energía puede variar en el tiempo y el espacio. De hecho, las contribuciones de los campos escalares que son constantes en el espacio normalmente también se incluyen en la constante cosmológica. Se piensa que la constante cosmológica se origina en la energía del vacío. Los campos escalares que cambian con el espacio son difíciles de distinguir de una constante cosmológica porque los cambios pueden ser extremadamente lentos.
Para distinguir entre ambas se necesitan mediciones muy precisas de la expansión del Universo, para ver si la velocidad de expansión cambia con el tiempo. La tasa de expansión está parametrizada por la ecuación de estado. La medición de la ecuación estado de la energía oscura es uno de los mayores retos de investigación actual de la cosmología física.
Añadir la constante cosmológica a la Métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) conduce al modelo Lambda-CDM, que se conoce como "modelo estándar" de cosmología debido a su coincidencia precisa con las observaciones.
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.
Información divulgada recientemente basada en el trabajo realizado por la nave espacial Planck sobre la distribución del universo, obtuvo una estimación más precisa de esta en 68,3% de energía oscura, un 26,8% de materia oscura y un 4,9% de materia ordinaria.

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