Materia oscura y energía oscura

Observaciones experimentales siguen indicando que el Universo está dominado por dos componentes invisibles: la materia oscura y la energía oscura. Entender esta oscuridad cósmica es una prioridad para los astrónomos y para los físicos.

¿Cuál es la composición del Universo? En términos de su contribución, el Universo se compone de, aproximadamente, 75% de energía oscura, 20% de materia oscura y 5% de materia común, con una contribución menor de fotones y de neutrinos. Estas mediciones se basan en la validez del modelo de Big Bang, la Relatividad General y el Principio Cosmológico (el Universo es uniforme a grandes escalas). La amplitud y profundidad de los experimentos y observaciones que apoyan estos principios nos dan la confianza de que este modelo del cosmos tiene una base sólida.

¿Cuál es la evidencia de la materia oscura? Podemos inferir la presencia de materia oscura a través de métodos indirectos, a pesar de no ser capaces de verla. Las leyes de Newton afirman que la masa de un cuerpo puede ser determinada por el movimiento de sus satélites. Así, se ha calculado que la masa de los cúmulos de galaxias es mucho mayor que la de sus constituyentes (galaxias) y que la masa de las galaxias es mucho mayor que el peso combinado de las estrellas y sus componentes de gas interestelar. Por tanto nos falta saber por qué esa masa es mayor. Hay muy buenas razones para esperar que esta materia extra no sea materia normal. Esa abundancia de materia normal sería difícil de ocultar a las miradas indiscretas de los astrónomos, que además dejaría su huella en la radiación cósmica fondo.

¿Qué pasa con la energía oscura? La observación de que el Universo se está acelerando, en lugar de disminuir su ritmo de expansión a causa de la atracción gravitatoria de la materia indica que hay mucho más que el Universo que entendemos en la actualidad. La principal interpretación es que el Universo está lleno de algo apodado energía oscura. Consideremos que la posibilidad de repulsión gravitacional no existe en la gravedad newtoniana y que, en cambio, existe en la Relatividad General. La equivalencia entre la materia y la energía significa que las presiones de gases causadas por los movimientos térmicos moleculares pueden ser una fuente de campos gravitacionales. El campo gravitacional de un líquido con suficiente presión negativa es repulsiva. Aunque puede ser difícil imaginar cómo los movimientos moleculares pueden dar lugar a una presión negativa, se ha constatado que algunos de los campos cuánticos que se plantean en la teoría de partículas elementales permiten fluidos con presión negativa. La energía oscura es, pues, simplemente la presión negativa de fluido que se postula para dar cuenta de la aceleración cósmica.

¿Cuál es el mejor candidato para la energía oscura? El más simple candidato a la energía oscura es la constante cosmológica de Einstein, lo que denota un fluido perfectamente uniforme con presión negativa. Sin embargo, los datos observacionales indican que el valor de la constante cosmológica es 10¹²⁰ veces más pequeña que la expectativa teórica, lo que es uno de los mayores problemas de la física actual. Hay quien dice que esta crisis es parecida a la crisis que a inicios del siglo 20, mediante la explicación de radiación del cuerpo negro, dio inicio al descubrimiento de la mecánica cuántica. Se han elaborado muchas teorías para intentar elucidar el origen de la materia oscura y de la energía oscura, algunas de ellas se las puede leer en un articulo reciente de Robert R. Caldwell y Marc Kamionkowski.