Energía oscura para niños
Datos para niños Cosmología física |
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En la cosmología física, la energía oscura es una forma de energía que se cree que está en todo el espacio. Esta energía produce una fuerza que hace que el universo se expanda cada vez más rápido. Los científicos piensan que la energía oscura es la razón por la que el universo ha estado acelerando su expansión desde hace unos 6145 millones de años.
La idea es que, a medida que el universo se expande, la cantidad de materia se hace menos densa. Sin embargo, la energía oscura parece mantener su densidad. En el modelo estándar del universo, la energía oscura representa casi el 69 % de toda la masa y energía del universo.
Algunos conceptos relacionados con la energía oscura son la constante cosmológica, que es una energía que llena el espacio de manera uniforme, y la quintaesencia, que es un tipo de campo cuya energía puede cambiar con el tiempo y el espacio. Se cree que la constante cosmológica proviene de la energía del vacío, que es la energía que existe incluso en el espacio vacío.
Para entender mejor la energía oscura, los científicos necesitan medir con mucha precisión cómo cambia la velocidad de expansión del universo. Esto es uno de los mayores desafíos en la cosmología actual.
El modelo estándar de la cosmología, llamado modelo Lambda-CDM, incluye la constante cosmológica y coincide muy bien con lo que los científicos han observado.
Es importante no confundir la energía oscura con la materia oscura. Aunque ambas forman la mayor parte del universo, la materia oscura es un tipo de materia que no podemos ver, mientras que la energía oscura es una fuerza que acelera la expansión del espacio.
Según los datos más recientes de la nave espacial Planck, se estima que el universo está compuesto por un 68.3 % de energía oscura, un 26.8 % de materia oscura y un 4.9 % de materia ordinaria (la que podemos ver y tocar).
Contenido
Historia de la energía oscura
La idea de una fuerza que afecta la expansión del universo no es nueva.
¿Cómo surgió la idea de la constante cosmológica?
Albert Einstein fue el primero en proponer la constante cosmológica. Él la usó para que sus ecuaciones describieran un universo que no cambiaba, es decir, un universo estático. Quería que esta fuerza compensara la gravedad, que tiende a juntar las cosas. Sin embargo, pronto se demostró que un universo estático así sería inestable. Si se expandía un poco, seguiría expandiéndose sin control.
Más tarde, las observaciones de Edwin Hubble demostraron que el universo no es estático, sino que se está expandiendo. Einstein se refirió a su error de no predecir un universo dinámico como "su gran error". Después de esto, la constante cosmológica fue olvidada por mucho tiempo.
El regreso de la idea de la energía oscura
En los años 70, Alan Guth sugirió que una fuerza de presión negativa, parecida a la energía oscura, pudo haber causado una expansión enorme y muy rápida del universo justo después del Big Bang (Gran Explosión). A esto se le llama inflación cósmica. Aunque la inflación ocurrió a una energía mucho más alta que la energía oscura que vemos hoy, la idea de una fuerza repulsiva volvió a ser relevante.
El término "energía oscura" fue creado por Michael Turner en 1998. En ese momento, los científicos ya sabían que faltaba mucha masa en el universo para explicar cómo se formaron las estructuras grandes.
La primera prueba directa de la energía oscura vino de las observaciones de supernovas de tipo 1a. Estas observaciones, realizadas por equipos de científicos como Adam Riess y Saul Perlmutter, mostraron que la expansión del universo se estaba acelerando. Esto llevó al desarrollo del modelo Lambda-CDM, que es el modelo estándar actual de la cosmología.
Descubrimiento de la energía oscura
En 1998, los científicos que estudiaban supernovas de tipo 1a muy lejanas descubrieron algo sorprendente: la expansión del universo se estaba acelerando. Desde entonces, otras observaciones han confirmado esta aceleración, como las mediciones de la radiación de fondo de microondas (el "eco" del Big Bang) y el estudio de cómo se distribuyen las galaxias.
¿Cómo nos ayudan las supernovas a entender el universo?
Las supernovas de tipo 1a son muy importantes para este descubrimiento. Son como "faros cósmicos" que siempre brillan con la misma intensidad. Los científicos las llaman "candelas estándar" porque, al saber su brillo real, pueden calcular qué tan lejos están de nosotros.
Según la ley de Hubble, las galaxias lejanas se alejan de nosotros, y su luz se estira, volviéndose más roja (esto se llama corrimiento al rojo). Al medir este corrimiento y el brillo de las supernovas, los científicos pueden saber qué tan rápido se expandía el universo en diferentes momentos de su historia.
Antes de 1998, se pensaba que la expansión del universo se estaba frenando debido a la gravedad. Pero las observaciones de supernovas lejanas mostraron que, en los últimos seis mil millones de años, la expansión se ha estado acelerando. Esto significaba que debía existir una fuerza desconocida que estuviera empujando el universo hacia afuera. Esa fuerza es la energía oscura.
La forma del universo y la energía oscura
La existencia de la energía oscura también ayuda a explicar la forma del universo. Las mediciones del satélite WMAP de la radiación de fondo de microondas indican que el universo es "plano". Para que sea plano, la cantidad total de masa y energía en el universo debe ser igual a una cantidad específica llamada "densidad crítica".
Sin embargo, cuando los científicos sumaron la materia ordinaria y la materia oscura, solo llegaban a un 30 % de esa densidad crítica. Esto implicaba que faltaba algo. La energía oscura, que representa el 70 % restante, completa la ecuación y explica por qué el universo es plano.
Experimentos para estudiar la energía oscura
Uno de los experimentos más conocidos para estudiar la energía oscura es el Sistema de Detección Integrado Sachs-Wolfe. Este método busca pequeños cambios en la energía de la luz del fondo cósmico de microondas al pasar cerca de grandes grupos de galaxias. Si la energía oscura existe, los fotones (partículas de luz) ganarían energía en lugar de perderla al pasar por estas zonas. Los resultados de estos experimentos han apoyado la existencia de la energía oscura.
¿Qué es la energía oscura?
La naturaleza exacta de la energía oscura es un gran misterio. Sabemos que está en todas partes, no es muy densa y solo interactúa con la gravedad. Como es tan poco densa, es muy difícil detectarla en experimentos aquí en la Tierra. Sin embargo, tiene una gran influencia en el universo porque representa la mayor parte de su energía.
Los dos modelos principales para explicar la energía oscura son la constante cosmológica y la quintaesencia.
Presión negativa
La energía oscura causa la expansión del universo porque ejerce una "presión negativa". Imagina un gas normal en un globo: ejerce presión hacia afuera. Una sustancia con presión negativa haría lo contrario, como si tirara hacia adentro. Sin embargo, según la relatividad general de Einstein, la presión de una sustancia también afecta su gravedad. Si una sustancia tiene presión negativa, su efecto gravitacional es de repulsión.
Si la repulsión gravitacional de la presión negativa de la energía oscura es más fuerte que la atracción gravitacional de su propia energía, el resultado es una expansión acelerada del universo, justo lo que observamos.
La constante cosmológica
La explicación más sencilla para la energía oscura es que es el "costo de tener espacio". Es decir, cada volumen de espacio vacío tiene una energía fundamental. A esto se le llama constante cosmológica. Como la energía y la masa están relacionadas por la famosa ecuación 
, esta energía del espacio vacío tendría un efecto gravitacional. A veces se le llama energía del vacío porque su densidad es la misma que la del vacío.
La constante cosmológica tiene una presión negativa que es igual y opuesta a su densidad de energía. Por eso, hace que la expansión del universo se acelere.
Un gran desafío para los científicos es que las teorías de la física de partículas predicen que esta energía del vacío debería ser muchísimo más grande de lo que observamos. Es como si hubiera dos fuerzas enormes que casi se cancelan, pero no del todo.
A pesar de este problema, la constante cosmológica es la explicación más simple y económica para la aceleración del universo. Por eso, el modelo Lambda-CDM la incluye como una parte esencial.
Quintaesencia
La quintaesencia es otra idea para la energía oscura. Sugiere que la energía oscura es un tipo de campo dinámico que puede cambiar en el espacio y en el tiempo. A diferencia de la constante cosmológica, la densidad de la quintaesencia podría variar.
Hasta ahora, no hay pruebas definitivas de la quintaesencia, pero tampoco se ha descartado. Generalmente, predice una aceleración del universo un poco más lenta que la constante cosmológica.
Un problema en cosmología es entender por qué la aceleración del universo comenzó justo cuando lo hizo. Si hubiera empezado antes, las galaxias y otras estructuras no habrían tenido tiempo de formarse. Algunos modelos de quintaesencia tienen un "comportamiento rastreador" que podría ayudar a resolver este problema, haciendo que la quintaesencia empiece a dominar el universo en el momento adecuado.
Existen algunas ideas más especulativas, como la energía fantasma, donde la densidad de la energía oscura aumenta con el tiempo, lo que podría llevar a un Big Rip (Gran Desgarro), un escenario en el que el universo se desgarra por completo.
Otras ideas
Algunos científicos piensan que la energía oscura y la aceleración del universo podrían indicar que la relatividad general (la teoría de la gravedad de Einstein) necesita ser modificada en escalas muy grandes. Sin embargo, la mayoría de estas ideas alternativas no han sido tan convincentes como la constante cosmológica o la quintaesencia.
También hay propuestas que intentan explicar las observaciones sin introducir la energía oscura, centrándose en los efectos de las irregularidades en la densidad del universo.
La energía oscura y el futuro del universo
La existencia de la energía oscura y la aceleración del universo tienen una consecuencia importante: el universo es más antiguo de lo que se pensaba. Antes de su descubrimiento, los cálculos de la edad del universo no coincidían con la edad de las estrellas más viejas. Con la energía oscura, la edad del universo se estima en unos 13.700 millones de años, lo que resuelve esta paradoja.
Los cosmólogos creen que la aceleración comenzó hace unos 9.000 millones de años. Antes de eso, la expansión se estaba frenando debido a la atracción de la materia oscura y la materia ordinaria. Pero a medida que el universo se expande, la densidad de la materia oscura disminuye más rápido que la de la energía oscura, y finalmente la energía oscura se vuelve dominante.
¿Qué pasará con el universo?
El destino final del universo depende de la naturaleza exacta de la energía oscura.
- Si es una constante cosmológica: El universo seguirá expandiéndose y enfriándose indefinidamente. Las galaxias lejanas se alejarán tanto que dejarán de ser visibles, y el universo local (nuestra Vía Láctea y sus vecinos cercanos) eventualmente sufrirá una "muerte térmica", donde todo se enfría y se dispersa.
- Si es energía fantasma (un tipo de quintaesencia): La densidad de la energía oscura podría aumentar con el tiempo, causando una aceleración cada vez más rápida. En los escenarios más extremos, esta aceleración sería tan fuerte que superaría todas las fuerzas, incluso las que mantienen unidos a los átomos, y el universo terminaría en un Big Rip (Gran Desgarro).
- Otras posibilidades: También es posible que la energía oscura se debilite con el tiempo o incluso se vuelva atractiva. Esto podría llevar a un escenario donde la gravedad finalmente haga que el universo se contraiga sobre sí mismo en un "Big Crunch" (Gran Colapso). Algunos modelos, como el modelo cíclico, sugieren que esto podría suceder, y luego el universo volvería a expandirse en un nuevo ciclo.
Aunque estas ideas son especulativas, las mediciones de la aceleración del universo son cruciales para entender cómo terminará el universo según la teoría del Big Bang.
Véase también
En inglés: Dark energy Facts for Kids
