Tocar el vac¨ªo: energ¨ªa oscura y supernovas

?Qu¨¦ es la energ¨ªa oscura? Quiz¨¢, junto con el origen de la vida, ¨¦sta sea la cuesti¨®n m¨¢s fundamental que la ciencia tiene planteada hoy. Hemos descubierto un gran vac¨ªo en nuestro conocimiento. Desconocemos algo que actualmente llena casi todo el universo y ejerce una fuerza repulsiva. Una fuerza que compensa los efectos de atracci¨®n gravitatoria debidos a la materia y los supera, acelerando el ritmo al que se est¨¢ expandiendo el universo desde que se origin¨®, en el Big-Bang. Si el universo estuviese vac¨ªo, el ritmo de expansi¨®n ser¨ªa constante, mientras que la presencia de materia o energ¨ªa, tal y como las conocemos, frena dicho ritmo por sus efectos gravitatorios.

Hace una d¨¦cada a¨²n no se hablaba de energ¨ªa oscura, se hablaba de materia oscura, del ritmo de expansi¨®n, de su desaceleraci¨®n, de la geometr¨ªa del universo... entonces hac¨ªamos el inventario de las componentes de universo y las cuentas no cuadraban. El fondo de radiaci¨®n c¨®smica apuntaba a una densidad (incluyendo todo tipo de materia y energ¨ªa) equivalente a unos seis n¨²cleos de hidr¨®geno por metro c¨²bico, la llamada densidad cr¨ªtica, cuyo cr¨ªtico significado tambi¨¦n ha cambiado en el modelo cosmol¨®gico actual. Pero la componente dominante de tal densidad no pod¨ªa ser hidr¨®geno, ni ning¨²n otro ¨¢tomo, ni tampoco una materia diferente (y a¨²n por identificar) llamada materia oscura fr¨ªa porque todos estos tipos de materia ejercen fuerzas de atracci¨®n gravitatoria que se pueden medir. Y midiendo estos efectos gravitatorios podemos acotar la cantidad de materia responsable de los mismos y concluimos que, como mucho, la densidad de materia puede ser un 30% de la densidad cr¨ªtica. Nos faltaba el 70% de algo y ese algo ten¨ªa que ser realmente ex¨®tico.

El vac¨ªo no est¨¢ realmente tan vac¨ªo, hay part¨ªculas que se crean y se destruyen continuamente, que existen un tiempo muy breve

Tan ex¨®tico como requer¨ªa el sorprendente resultado obtenido independientemente por dos grupos de astr¨®nomos que observaban supernovas termonucleares lejanas con el objetivo de medir cu¨¢nto se frenaba el ritmo de expansi¨®n del universo. Los grupos liderados por Brian Schmidt (High Redshift Team) y Saul Perlmutter (Supernova Cosmology Project) desencadenaron en 1998 una revoluci¨®n cosmol¨®gica al encontrar que el ritmo de expansi¨®n del universo en vez de frenarse, se aceleraba. Desde entonces la calidad y cantidad de datos astron¨®micos, en todos los frentes, no ha hecho m¨¢s que aumentar y confirmar los resultados anteriores.

Las supernovas: faros c¨®smicos

Touching the Void es el t¨ªtulo de un libro de monta?a escrito por Joe Simpson en 1989, su experiencia con el vac¨ªo en los Andes peruanos. Cuando se public¨®, yo (Inmaculada) estaba haciendo la tesis en el Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CSIC), precisamente sobre supernovas. Las supernovas son explosiones estelares, estudi¨¢bamos (y cocin¨¢bamos en el ordenador) supernovas termonucleares, una especie de bombas muy parecidas entre s¨ª que explotan al desencadenarse en su interior reacciones nucleares.

Las supernovas brillan mucho, durante unos d¨ªas brillan tanto como toda una galaxia, por eso vemos supernovas que est¨¢n muy lejos, son nuestros faros c¨®smicos. Midiendo lo que ha disminuido, desde su origen, la luz que nos llega podemos estimar la distancia a la que se encuentra la supernova y con esta informaci¨®n acotar el ritmo de expansi¨®n del universo. Hoy se detectan supernovas que ocurrieron cuando el universo ten¨ªa la mitad de su edad actual (hace unos cuantos miles de millones de a?os). Desde entonces la luz emitida por la supernova ha estado viajando a trav¨¦s del universo, de su geometr¨ªa, y en ese viaje se ha ido encontrando con todas sus componentes y nos trae informaci¨®n sobre los mismos. Teniendo en cuenta estas nuevas y lejanas supernovas, el conocido y familiar m¨¦todo de los faros c¨®smicos indica, con un 99% de fiabilidad, la presencia de una componente que acelera el ritmo de expansi¨®n, la energ¨ªa oscura. En concreto, si consideramos adem¨¢s los datos del fondo de radiaci¨®n c¨®smica, concluimos que hasta un 70 % del universo es dicha componente. Finalmente las cuentas cuadran, lanz¨¢ndonos quiz¨¢s al vac¨ªo.

Tocando el vac¨ªo

Efectivamente, todas las evidencias astron¨®micas son compatibles con que la energ¨ªa oscura sea la energ¨ªa asociada al vac¨ªo cu¨¢ntico. El vac¨ªo no est¨¢ realmente tan vac¨ªo, hay part¨ªculas que se crean y se destruyen continuamente, que existen solo durante un tiempo muy breve. Asociada a estas part¨ªculas hay una energ¨ªa que cumple todos los requisitos. Es m¨¢s, las supernovas indican que inicialmente la expansi¨®n del universo se fren¨® y posteriormente se aceler¨® y ¨¦sta es precisamente una caracter¨ªstica que tendr¨ªa la energ¨ªa del vac¨ªo: al expandirse el universo, la densidad asociada con la materia disminuye pero la asociada al vac¨ªo, que es una propiedad del espacio mismo, permanece constante. De esta forma, la densidad de materia dominar¨ªa en el pasado, frenando el ritmo de expansi¨®n, y en un cierto punto (que las supernovas muestran) pas¨® a dominar la energ¨ªa del vac¨ªo y el ritmo de expansi¨®n comenz¨® su aceleraci¨®n. El problema aqu¨ª es que entre la energ¨ªa del vac¨ªo estimada te¨®ricamente y la que se necesita para explicar las observaciones astron¨®micas hay una discrepancia muy grande, excesivamente grande, tanto que, de nuevo... ?algo no cuadra!

El modelo cosmol¨®gico

El modelo cosmol¨®gico compatible con todas estas observaciones es el llamado Universo con constante cosmol¨®gica y materia oscura fr¨ªa, un nombre que nos recuerda directamente todo lo que no sabemos. Conocemos la materia de la que esta hecha la Tierra, el Sol, las estrellas, nosotros, esa materia se encuentra en todo el universo y est¨¢ ah¨ª desde el principio, desde el Big-Bang, pero su densidad ser¨ªa solo un 5% de la densidad cr¨ªtica. El otro 95% a¨²n se nos escapa. Varios experimentos tratan de identificar la materia oscura fr¨ªa, cuya cantidad podemos estimar por sus efectos gravitatorios, su densidad ser¨ªa un 25% de la cr¨ªtica. Y algo m¨¢s lejos estamos de entender el 70% restante: la energ¨ªa oscura o energ¨ªa del vac¨ªo o, como la llam¨® Albert Einsten, la constante cosmol¨®gica. Una constante que Einsten introdujo en sus ecuaciones para compensar la gravedad y que rotundamente descart¨® posteriormente.

Ahora hay que preparar las supernovas para una nueva fase, pues para acotar la naturaleza de la energ¨ªa oscura tenemos que aumentar la precisi¨®n de las distancias, obtenidas mediante el m¨¦todo de los faros c¨®smicos, en un factor diez. Para ello parece inevitable entender completamente las supernovas, c¨®mo se forman y c¨®mo explotan. Las supernovas no son todas exactamente iguales, no emiten la misma luz, pero como propuso Mark Phillips en 1993 es posible calibrarlas y as¨ª, a trav¨¦s de esa calibraci¨®n, emplearlas como faros c¨®smicos. El m¨¦todo ha funcionado perfectamente, indic¨¢ndonos, como hemos visto, la existencia de la energ¨ªa oscura. Sin embargo algunos astr¨®nomos, como Mario Hamuy, Filippo Mannucci o Mark Sullivan han relacionado las caracter¨ªsticas observadas de las supernovas con su entorno, con la edad de las estrellas de las que proceden. Esto es cr¨ªtico para un faro c¨®smico, si la luz del faro depende del lugar, no nos sirve para estimar distancias. Si las supernovas en el pasado no eran iguales a las supernovas vecinas que usamos para la calibraci¨®n, hemos tocado fondo y no podemos aumentar la precisi¨®n. No podemos mientras no sepamos c¨®mo tener en cuenta este hecho. Este es uno de nuestros proyectos actuales.

Entender el origen de la energ¨ªa oscura es todo un reto, tambi¨¦n lo fue para Joe Simpson caer y salir del vac¨ªo, algo fuera de todas las expectativas. Este reto nos puede llevar a resolver otros problemas fundamentales, como unificar la gravedad con las otras fuerzas o quiz¨¢s entender el espacio-tiempo de una forma distinta. Adem¨¢s de los proyectos relacionados con las supernovas hay nuevos experimentos previstos o ya funcionando: aceleradores de part¨ªculas, grandes telescopios, sat¨¦lites, simulaciones num¨¦ricas en grandes ordenadores, c¨¢lculos te¨®ricos... y mientras, en estas calurosas noches de verano, "La luna gira en el cielo sobre las tierras sin agua" (Federico Garc¨ªa Lorca) y seguimos sorprendi¨¦ndonos al mirar las estrellas, sintiendo curiosidad y la atracci¨®n que es lo que desde siempre nos lleva a descubrir, a descubrir incluso el vac¨ªo.

Inmaculada Dom¨ªnguez Aguilera y Mar Bastero Gil son profesoras del Departamento de F¨ªsica Te¨®rica y del Cosmos de la Universidad de Granada