La energía oscura, el misterio más grande de la ciencia

Nota del editor:  Meg Urry  es directora del Centro de Astronomía y Astrofísica de Yale. Anteriormente trabajó como astrónoma senior en el Space Telescope Science Institute, que maneja el Telescopio Espacial Hubble para la NASA. Este artículo se escribió en colaboración con  The Op-Ed Project , una organización que busca ampliar la gama de voces de opinión para incluir a más mujeres.

(CNN) — Este 4 de octubre,  tres científicos ganaron el premio Nobel de Física  por encontrar la evidencia definitiva de que la expansión del universo se está acelerando.

Su descubrimiento no encaja en ninguna teoría existente, así que tuvo implicaciones alucinantes para nuestra comprensión del mundo físico. Al mismo tiempo, es relativamente fácil de explicar a las personas no especialistas. Así que abróchate tu cinturón de seguridad para un viaje rápido en esta frontera del conocimiento: ¿Cuál fue el verdadero descubrimiento, por qué es tan importante, y qué significado tiene para nuestro mundo?

Regresa a la década de los 90, cuando se establecieron dos equipos independientes de investigación para "pesar" el universo. Uno de ellos estaba dirigido por Saul Perlmutter, un joven físico del Laboratorio Lawrence Berkley y el otro dirigido por Bob Kirshner, un profesor de astronomía de Harvard, junto con el ex estudiante de postgrado, Brian Schmidt, ahora en la Universidad Nacional de Australia, y el entonces estudiante de posgrado, Adam Riess quien trabaja como astrónomo del Space Telescope Science Institute y la Universidad Johns Hopkins.

Estos astrofísicos sabían que el universo era un vasto espacio, casi vacío, lleno de galaxias de estrellas en un delgado mar de átomos. Gracias al trabajo que se realizó 70 años antes por Edwin Hubble (por quien la NASA nombró a su telescopio espacial) también sabían que el universo estaba expandiéndose durante miles de millones de años. Como todos los astrónomos, esperaban que la expansión fuera más lenta, debido a la fuerza de la gravedad entre las galaxias y otras materias.

Es muy sencillo: mientras más cosas hay en el universo, mayor es el freno gravitacional de la expansión. Así que los experimentos ganadores del premio Nobel se diseñaron para medir el nivel de desaceleración de la expansión, y por lo tanto, la cantidad total de material en el universo.

¿Qué podía salir mal? Después de todo, la gravedad era la única fuerza conocida que podría desempeñar un papel. Los dos equipos midieron las distancias hacia las supernovas en galaxias distantes, y esperaban que pudieran estar más cerca de nosotros, como si no hubiera gravedad en lo absoluto.

Imagina la sorpresa cuando l os datos indicaron que la expansión se estaba acelerando . Las supernovas aparecían estar más distantes (más débiles) que si la velocidad de la expansión estuviera inalterable 

¡¿Qué?! El nivel de aceleración de la expansión señaló que la gravedad, una fuerza que conocíamos y adorábamos desde que la primera manzana cayó de un árbol, es algo insignificante si se le compara con un nuevo, completamente desconocido, campo de energía que obliga a las galaxias a separarse. 

A esta cosa nueva, de la que no sabemos nada y que parecer ejercer cierta fuerza, le llamamos energía oscura.

En 2003, el satélite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) de cosmología de la NASA mostró convincentemente que la energía oscura es el componente dominante del universo.

Este material no estaba previsto por ninguna teoría física, y era completamente desconocido (aunque hay más de esta energía que de cualquier otra cosa en el universo) hasta que los equipos de astrónomos y físicos que ganaron el Premio Nobel realizaron sus mediciones.

Más que los átomos de los que estamos compuestos, tú, yo, nuestra Tierra, más que el hidrógeno y que el helio que impregnan el Universo, más que las desconocidas partículas de materia oscura que provocan la atracción de la gravedad y que en primer lugar, permiten que se formen las galaxias.

Sea lo que sea, nos enseña algo completamente nuevo acerca de cómo se comporta la materia, el espacio y el tiempo. Es necesaria una teoría de física radicalmente nueva.

El hecho es que, la energía oscura es el mayor misterio en la ciencia. Es el impulsor de una gran cantidad de investigaciones en la última década, y fue el factor clave del informe Nuevos mundos, nuevos horizontes del año pasado de las Academias Nacionales de Ciencia, que priorizaron futuros proyectos de astronomía y de astrofísica.

En la parte más alta de la lista estaba realizar mejores mediciones de las propiedades de la energía oscura, mediante el uso del Telescopio Espacial James Webb, ahora en fase de finalización, así como un telescopio espacial óptico infrarrojo que se construirá en la próxima década.

Los dos equipos midieron el nivel de expansión por medio de una supernova, las cuales son  explosiones extraordinarias al final de la vida de una estrella . Los astrónomos saben que un cierto tipo de supernova siempre emite casi la misma cantidad de luz, por lo que es una vela estándar que se puede usar para indicar la distancia.

Una supernova más débil podría estar más lejos, y una más brillante podría estar más cerca. Para poder medir a una supernova, los equipos utilizaron telescopios de todo el mundo y en el espacio, la mayoría a cargo de la National Science Foundation y la NASA.

El espectro de una supernova (cómo se distribuye la luz a lo largo del espectro óptico de color desde el azul, verde, amarillo hasta el rojo) revela la velocidad con la que se aleja de nosotros debido a la expansión del universo. Probablemente has notado cómo el tono de una sirena cambia al momento en que se acerca o se aleja de ti, y ese cambio es más grande si el vehículo se mueve más rápido. La luz que emite una supernova muestra el mismo tipo de frecuencia de cambio, así que se puede medir la velocidad con mucha precisión.

Hubo otro ingrediente esencial para el experimento: la capacidad de ver hacia atrás en el tiempo. A la luz le toma mucho tiempo viajar hacia nosotros desde esas supernovas, las cuales ocurren de forma inusual en galaxias distantes.

La luz de una supernova cercana podría requerir de cientos de miles de años para llegar a nosotros, mientras que la luz de las que están distantes y que son las que observaron los equipos de Perimutter y Schmidt-Ries-Kishner, viaja durante miles de millones de años. Esto significa que observar a las supernovas o a las galaxias en diferentes distancias se puede trazar la historia de la expansión del universo, es decir, el índice en el que se expanden en diferentes momentos en el pasado. El objetivo de los experimentos era medir el cambio en la velocidad de expansión: la desaceleración.

Sin embargo, en vez de eso, los equipos encontraron que la expansión se estaba acelerando.

Los nuevos datos son fundamentales para la extraña nueva imagen. Adam Riess, quien usa el Telescopio Espacial Hubble para medir las supernovas extremadamente distantes, mostró que al comenzar el universo, la gravedad en realidad le ganaba pasos a la energía oscura.

En la expansión inicial del Big Bang, el espacio se estaba reduciendo. Después, mientras las galaxias se apartaban, la fuerza de atracción de la gravedad entre ellas que debilitaba a la energía oscura se hizo cargo, lo que parecía una propiedad constante en el espacio mismo.

En el universo de nuestros días, 13.7 mil millones de años después del Big Bang, la gravedad es mucho más débil que la energía oscura. Así que el descubrimiento de Riess no dejó ninguna duda: las explicaciones alternativas para el descubrimiento original no habrían mostrado esta evolución de un espacio en el que dominaba la gravedad a uno donde dominara la energía oscura.

Los astrofísicos están tras la pista de este fenómeno. Después del discurso de Leigh Page, de Yale, sobre la energía oscura de Saul Permutter, uno de los ganadores del Nobel, un profesor de física me preguntó: “¿Esto no te mantiene despierta durante la noche, preguntándote qué puede ser esto?” Nos mantiene despiertos a muchos de nosotros.

¿Qué significa este descubrimiento para el mundo?

La energía oscura no tiene un impacto directo en nuestras vidas, por lo menos por ahora. Nuestra galaxia cuenta con miles de millones de años antes de que la energía oscura sea lo suficientemente fuerte como para destrozarla. Los eventos se mueven más lentamente en el tiempo del universo.

Pero si la historia sirve de guía, la comprensión de la física de partículas, del espacio y del tiempo comprobó ser algo invaluable una y otra vez. Gran parte de la innovación tecnológica que dirige a nuestra economía actualmente se deriva de los descubrimientos de la física de hace varias décadas, de acuerdo con el informe Gathering Storm de 2006, de la Academia Nacional de Ciencia.

El desarrollo de las teorías de mecánica cuántica sobre la materia en la década de los 20 condujo a la electrónica de las computadoras actuales, a los aparatos electrónicos industriales y domésticos, desde tu iPod hasta tu tostadora.

Los diagnósticos de imágenes que se utilizan para descubrir el cáncer y otros padecimientos tienen sus raíces en la dispersión de la luz y de las partículas por la materia, como lo estudiaron los físicos al usar aceleradores de partículas. Los astrónomos dirigieron el desarrollo de dispositivos de imágenes electrónicas que ahora se usan ampliamente en las cámaras digitales. Los escáneres de rayos X de los aeropuertos se construyeron por una compañía dirigida por astrónomos interesados en detectar los rayos X de las estrellas y de las galaxias. Y la lista sigue.

Cuando Brian Schmidt se convirtió en un experto en supernovas, pensó en cómo estallaban las estrellas, no en el Premio Nobel. Cuando Adam Riess comenzó sus estudios de postgrado, pensaba cómo el cosmos evolucionó hasta nuestros días. Cuando Saul Permutter convenció a su laboratorio para realizar su experimento de supernovas, quería pesar el universo. Y cuando Bob Kirshner atrae a cientos de estudiantes a sus clases de astronomía en Harvard, les enseña acerca de los objetos distantes y los eventos que parecen increíblemente lejanos de nuestra vida cotidiana.

Pero su pasión por la ciencia los llevó a un descubrimiento digno de un Premio Nobel. Esto nos recuerda que Estados Unidos todavía es uno de los líderes en la investigación de vanguardia y también en la formación de los futuros científicos.

Este descubrimiento desafía a nuestros mejores teóricos y atrae a jóvenes inteligentes a la ciencia. Y algún día lejano en el futuro, comprender cómo la energía oscura puede ser una propiedad del espacio vacío a lo largo del universo quizá tenga un profundo impacto en nuestra vida aquí en la Tierra.