¿Está evolucionando la energía oscura? Los astrofísicos consideran las posibilidades

La energía oscura —el término utilizado para describir aquello que causa la expansión del universo a un ritmo creciente— es uno de los mayores misterios del universo. La teoría más aceptada actualmente sugiere que la energía oscura es constante y que la energía del espacio vacío impulsa la aceleración cósmica.

Sin embargo, el año pasado, los hallazgos del Dark Energy Survey y del Dark Energy Spectroscopic Instrument generaron entusiasmo en la comunidad cosmológica al insinuar que la energía oscura podría estar evolucionando.

«Este sería nuestro primer indicio de que la energía oscura no es la constante cosmológica introducida por Einstein hace más de 100 años, sino un fenómeno nuevo y dinámico», afirmó Josh Frieman, profesor emérito de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Chicago.

En un nuevo artículo publicado en Physical Review D, Frieman y Anowar Shajib, becario Einstein del Programa de Becas Hubble de la NASA en Astronomía y Astrofísica en la Universidad de Chicago, combinan datos actuales de numerosas sondas y descubren que los modelos dinámicos de la energía oscura en evolución pueden explicar mejor los datos que la constante cosmológica. De ser así, según sus modelos, podría existir una partícula aún no descubierta, mucho más pequeña que un electrón.

La Universidad de Chicago conversó con Shajib y Frieman sobre los nuevos modelos descritos en su artículo, las implicaciones de estos resultados y los próximos pasos.

¿Por qué es importante la energía oscura en el estudio del universo?
Frieman: Ahora sabemos con precisión cuánta energía oscura hay en el universo, pero desconocemos su naturaleza física. La hipótesis más simple es que se trata de la energía del propio espacio vacío, en cuyo caso sería inmutable en el tiempo, una noción que se remonta a Einstein, Lemaitre, de Sitter y otros a principios del siglo pasado.

Es un poco vergonzoso que tengamos poca o ninguna idea de qué constituye el 70% del universo. Y sea lo que sea, determinará la evolución futura del universo.

¿Qué hallazgos recientes llevaron a los cosmólogos a considerar que la energía oscura podría estar evolucionando? Shajib: Si bien ha existido interés en la naturaleza dinámica de la energía oscura desde su descubrimiento en la década de 1990 para resolver algunas discrepancias observacionales, hasta hace poco, la mayoría de los conjuntos de datos principales y robustos eran consistentes con un modelo de energía oscura no evolutiva, aceptado como estándar.

Sin embargo, el interés en la energía oscura evolutiva se reavivó con fuerza el año pasado gracias a la combinación de datos de supernovas, oscilación acústica bariónica y fondo cósmico de microondas del Dark Energy Survey, el Dark Energy Spectroscopic Instrument y los experimentos de Planck. Esta combinación de conjuntos de datos indicó una fuerte discrepancia con el modelo estándar de energía oscura no evolutiva.

Frieman: Los datos de estos estudios nos permiten inferir la historia de la expansión cósmica: la velocidad a la que se ha expandido el universo en diferentes épocas del pasado. Si la energía oscura evoluciona con el tiempo, esa historia será diferente a si la energía oscura es constante.

Los resultados de la historia de expansión cósmica sugieren que durante los últimos miles de millones de años aproximadamente, la densidad de energía oscura ha disminuido alrededor de un 10% (no mucho, y mucho menos que las densidades de otra materia y energía, pero aún significativo).

¿Cuál fue el objetivo de este estudio y cuáles fueron los hallazgos generales?

Shajib y Frieman: El objetivo de este estudio es comparar las predicciones de un modelo físico para la evolución de la energía oscura con los conjuntos de datos más recientes e inferir las propiedades físicas de la energía oscura a partir de esta comparación.

En nuestro artículo, comparamos directamente modelos basados ​​en la física para la evolución de la energía oscura con los datos y descubrimos que estos modelos describen los datos actuales mejor que el modelo estándar de energía oscura no evolutiva.

También demostramos que estudios futuros como el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura y el Estudio del Legado del Espacio y el Tiempo del Observatorio Vera Rubin podrán determinar definitivamente si estos modelos son correctos o si, por el contrario, la energía oscura es realmente constante.

¿Por qué los nuevos modelos de su estudio explican mejor el comportamiento de la energía oscura en comparación con los modelos existentes?
Frieman: Estos modelos se basan en teorías de física de partículas sobre partículas hipotéticas llamadas axiones. Los axiones fueron predichos por primera vez por físicos en la década de 1970, quienes buscaban explicar ciertas características observadas en interacciones fuertes. Hoy en día, los axiones se consideran candidatos plausibles para la materia oscura, y experimentos en todo el mundo los buscan activamente, incluyendo físicos del Laboratorio Fermi y la Universidad de Chicago.

Los modelos de nuestro artículo se basan en una versión diferente, ultraligera, del axión que actuaría como energía oscura, no como materia oscura. En estos modelos, la energía oscura se mantendría constante durante los primeros miles de millones de años de la historia cósmica, pero el axión comenzaría entonces a evolucionar —como una pelota en un campo inclinado que se libera desde el reposo y comienza a rodar— y su densidad disminuiría lentamente, que es lo que los datos parecen preferir.

Por lo tanto, los datos sugieren la existencia de una nueva partícula en la naturaleza que es aproximadamente 38 órdenes de magnitud más ligera que el electrón.

¿Cuáles son las implicaciones de estos hallazgos para comprender la expansión cósmica?
Shajib: En estos modelos, la densidad de la energía oscura disminuye con el tiempo. La energía oscura es la causa de la expansión acelerada del universo, por lo que si su densidad disminuye, la aceleración también disminuirá con el tiempo.

Si consideramos el futuro lejano del universo, las diferentes características de la energía oscura pueden conducir a diferentes resultados. Dos extremos de estos resultados son un Big Rip, donde la expansión acelerada se acelera hasta el punto de destruirlo todo, incluso los átomos, y un Big Crunch, donde el universo deja de expandirse en algún momento y vuelve a colapsar, lo que se asemejará a un Big Bang inverso.

Nuestros modelos sugieren que el universo evitará ambos extremos: experimentará una expansión acelerada durante miles de millones de años, dando lugar a un universo frío y oscuro: un Big Freeze.

¿Qué es lo que más le entusiasma de estos resultados?
Frieman: Cuando comenzamos a trabajar en el Dark Energy Survey en 2003, nuestro objetivo era restringir las propiedades de la energía oscura para determinar si era constante o cambiante.

Durante dos décadas, los datos indicaron que era constante. Casi abandonamos esa pregunta porque los datos respaldaban sistemáticamente la suposición. Sin embargo, ahora tenemos el primer indicio en más de 20 años de que la energía oscura podría estar cambiando, y si está evolucionando, debe ser algo nuevo, lo que cambiaría nuestra comprensión de la física fundamental. Esa sensación nos recuerda a nuestra situación inicial.

Aún podría resultar que estas pistas sean incorrectas, pero podríamos estar a punto de responder a esa pregunta, y eso es bastante emocionante.

Shajib: Para este artículo, reunimos todos los conjuntos de datos principales (del Dark Energy Survey, el Dark Energy Spectroscopic Instrument, el Sloan Digital Sky Survey, el Time-Delay COSMOgraphy, el Planck y el Atacama Cosmology Telescope) y los combinamos para obtener la medición de energía oscura más exhaustiva hasta la fecha.

Todas estas mediciones provienen de extensos experimentos, por lo que, en cierto modo, representan el conocimiento colectivo que la comunidad cosmológica ha recopilado en su conjunto.

Con información de Physical Review