El comienzo de la expansión acelerada

Hasta hace unos pocos años los cosmólogos suponían que, por lógica consecuencia de la fuerza de gravedad (que actúa como freno a la velocidad de alejamiento de las galaxias), la tasa de expansión del universo se hallaba en constante disminución. En su obra de 1994 “Los últimos tres minutos” (citada recurrentemente en esta Tesis), P. Davies sostenía tal aserto. Adams y Laughlin todavía lo testificaban así en su artículo de 1997: “Las observaciones son incapaces de proporcionar una respuesta definitiva” a la cuestión sobre si el universo continuará expandiéndose o se colapsará192_{. Sin embargo, en años}

más recientes estas suposiciones “naturales” sufrieron un duro golpe. A los modernos hitos del BB y de la inflación ha venido a agregarse un elemento en verdad revolucionario, a saber, el descubrimiento de que el universo no sólo se expande sino que lo hace aceleradamente. Esta nueva realidad, fruto de las observaciones de los últimos años, ha vuelto a cambiar nuestra visión del universo en expansión.

Por otro lado, en la década de los 90 aún no se terminaba de comprender del todo el papel de la “energía del vacío” en el desarrollo futuro del universo. Así H. Reeves se preguntaba cuál es el efecto de la energía de vacío sobre el cosmos193, admitiendo que “ninguna solución aceptable del problema de la constante cosmológica se perfila aún en el horizonte”194. Similares objeciones interponían F. Adams y G. Laughlin, concediendo que, desafortunadamente, la contribución de la energía del vacío a la densidad de energía total del universo permanecía desconocida, y no tenía una solución aceptada195.

M. Livio, director del telescopio espacial Hubble, califica el hallazgo de la aceleración cósmica como “el más importante desde el descubrimiento de la radiación de fondo”196, y señala que no resulta sorprendente que la revista Science presentara al universo en aceleración como el “descubrimiento del año”197. El acontecimiento se produjo en 1998: ciertas investigaciones presentaron fuertes evidencias de que la expansión del universo no se comportaba como se habría esperado. Gangui comenta las circunstancias del evento198: dos equipos competidores habían estado efectuando recientemente mediciones en supernovas lejanas del tipo “Ia”199. Las observaciones revelaron que el brillo de estas supernovas se mostraba más tenue de lo esperado en estrellas de esa distancia y tipo; se calculó pues que se hallaban entre 10 y 15% más alejadas de lo que se esperaría en un universo en desaceleración.Cotejando los valores registrados se descubrió sorpresivamente que la expansión cósmica se estaría acelerando. Posteriormente, el satélite WMAP (“Willkinson Microwave Anisotropy Probe”) trazó un mapa del cosmos cuando tenía una edad de 400.000 años, confirmando

192_{AD 358.} 193_{PS 123.} 194_{PS 124.} 195_{AD 363.} 196_{AC 160.}

197_{AC 166. Livio se refiere al número deScience282 (1998).} 198_{GA 281s.}

199 _{El equipo “Supernova Cosmology Project” (SCP) de S. Perlmutter y L. Berkeley del National} Laboratory de California, y el equipo “High-z Supernova Team” (HST) de B. Schmidt de Mount Stromlo, Australia. Pueden verse los resultados del SCP en el sitio www.supernova.lbl.gov.

este descubrimiento200. Los astrónomos advertían, pues, no sólo que universo se expandirá para siempre, sino que lo haráa velocidades siempre crecientes.

Pero hay más: el WMAP aportaba adicionalmente pruebas de la acción actual de la energía del vacío. Se comprendió que, con toda probabilidad, estos dos sucesos estaban unidos. La aceleración es provocada por una misteriosa energía proveniente no de la materia sino del vacío. En efecto, esta aceleración no podía explicarse ni por la materia ni la radiación conocidas, de modo que debía recurrirse a otras fuentes de energía. Es aquí donde aparece la energía del vacío. Vimos anteriormente cómo los cosmólogos habían estudiado su acción en los primerísimos instantes de vida del universo para postular el MI. Pero a efectos de entender el decurso ulterior del cosmos, la energía del vacío era meramente un desarrollo especulativo de la mecánica cuántica sin incidencia aparente en el mundo real.

Asimilar el hecho de un universo acelerante, y recurrir a la energía del vacío para explicarlo, comportó la abrupta emergencia de una nueva visión del destino cósmico. Señala Vucetich que se comprendía ahora que vivimos en un “universo acelerado, inflacionario, dominado por las misteriosas constante cosmológica y materia oscura”201.

Reeves explica la génesis del concepto de la energía del vacío202. Luego de la formulación de la teoría de la relatividad, se descubrió una forma de energía desconocida hasta el momento, la referida energía del vacío.Es éste un nuevo y original tipo de vacío, el vacío cuántico: “hasta principios del siglo veinte los físicos piensan que saben de qué hablan cuando emplean la palabra «vacío». Para ellos, el vacío está verdaderamente vacío”. El concepto de vacío cuántico muestra, en cambio, que aún si un campo no contiene partícula alguna, su energía no es nula203. En efecto, luego de que en el siglo XIX J. Maxwell demostrara que la luz es una ondulación del campo electromagnético, la física cuántica determinó que la luz se compone defotonesque, según las circunstancias, se comportan ora como una onda, ora como un haz204 de partículas. En 1924 L. de Broglie descubrió que está dualidad de partículas – ondas no está reservada sólo a los fotones sino que se extiende atodas las partículas de la física. Así pues, todo el mundo microcósmico está sometido a la mecánica cuántica. Este descubrimiento comportó un punto de inflexión en la física: se sabía ahora que la materia no sólo está conformada por un conjunto de partículas en movimiento, sino que existen los campos cuánticos. Tal como todas las partículas, estos campos también poseen energía y generan fuerzas de gravedad. Ya se suponía que éstos han jugado un papel fundamental en la evolución del universo205, pero sólo ahora se comprendía la fabulosa magnitud de sus alcances206. Efectivamente, hoy se recurre exitosamente a la energía del vacío para explicar la aceleración cósmica.

Sucede que a causa de la incesante producción de “fluctuaciones cuánticas”, el vacío no puede ser considerado “estéril”. Gracias a que la energía puede “tomarse prestada” del vacío por muy cortos períodos de tiempo207, pueden formarse pares de

200_{SEIFE, C., Op. Cit., p. 2038.} 201_{VU 126.}

202_{UN 159s.} 203_{PS 121.}

204_{Son “paquetes” o quanta de energía, en latín. De allí el nombre de “teoría cuántica”.} 205_{UN 169.}

206_{La SDSS (“The Sloan Digital Sky Survey”), ha realizado a partir de 2003 un exhaustivo mapeo de un} millón de galaxias, registrando la acción directa de la energía del vacío (SEIFE, C., Op. Cit., p.2039). 207_{Unos 10}-21_segundos.

partículas y anti-partículas (o sus ondas correspondientes). Esta actividad incesante es, por tanto, lo que se conoce como “energía del vacío” o “energía oscura”. Bien pues, en la medida en que el universo se expande, la materia se hace menos densa y la gravitación decrece; así, la fuerza derepulsión cósmica208 termina por dominar, causando, en vez de la esperada desaceleración, unaaceleración de la velocidad de la expansión209.

El descubrimiento de la expansión acelerada cobra una relevancia adicional, al haberse comprobado que sólo recientemente (en términos de los tiempos cósmicos) el universo ha comenzado a acelerarse. Sucede que tanto la densidad de la materia ordinaria como la de la radiación han decrecido al expandirse el universo; por el contrario, la densidad de energía de la constante cosmológica (tal como su nombre lo indica) se ha mantenido constante en el tiempo. Al haberse producido la disminución de los dos primeros parámetros de varios órdenes de magnitud, se verifica la “coincidencia cósmica” de que precisamente en el universo actual la energía oscura ha comenzado a exceder a la incidencia de la radiación y de la materia ordinaria210. El comienzo de la etapa de la aceleración aconteció hace unos 5.000 millones de años, en el momento en que las densidades de la radiación y la materia ordinaria cayeron por debajo de la densidad de la constante cosmológica; más moderno aún es el hecho de que tal energía ha comenzado a predominar entre el resto de factores cuyo balance decide la proyección futura del universo211. Gangui toma una analogía de C. Sagan: si redujéramos la edad actual del universo a un año, la energía oscura habría comenzado a dominar sólo en el último par de horas, en la época aproximada de la aparición de los primeros antropoides. Así pues, surge la cuestión de si habría aparecido el hombre de haber reinado la aceleración mucho tiempo antes212.

Más allá de estas consideraciones, el principal desafío hoy es tratar de establecer con alguna certeza elgradode esta aceleración. Los cosmólogos han recurrido para ello a la “constante cosmológica λ”213, introducida por Einstein al generalizar la teoría de la relatividad en 1915 a fin de que su modelo de universo se mantuviera estático214. Einstein había advertido, efectivamente, que, en caso de que el universo fuese estático, las galaxias distribuidas uniformemente en el espacio deberían haber colapsado una contra otras a causa de la atracción gravitatoria215. Por ello, debió introducir en sus ecuaciones una “fuerza de repulsión cosmológica” que aumenta con la mutua distancia entre objetos (y que a distancias menores que la del sistema solar es imperceptible), para estabilizar al universo. En el momento en que se descubrió la expansión del universo, la constante cosmológica se había vuelto ya superflua. En las siguientes décadas ésta ha resurgido

208_{Cf. la explicación de esta fuerza más adelante (I,2.5.3.).} 209_{AC 161.}

210_{GA 284.}

211_{Veremos enseguida que representa hoy aproximadamente un 70% del total de estas componentes.} 212 _{Este hecho se suma a los innumerables datos desde los que se elabora la cuestión del “principio} antrópico” (ver nota al pie correspondiente en el apartado I,2.6.1.). Es interesante la caracterización de H. Reeves de la existencia inicial de un conjunto hipotético de universos paralelos con parámetros “fértiles” o “estériles”, vale decir, que permitirían o no la evolución hacia la complejidad creciente (PS 225s). Ulteriores consideraciones sobre el principio antrópico caerían ya fuera del tema de la presente Tesis. 213 _{En esta ecuación existe una singularidad inicial que se identifica con el BB, que necesitaría de la} mecánica cuántica para ser resuelta. Aún hoy intenta elaborase una teoría unificada de “gravedad cuántica” (diferente a la del “campo unificado” para unir la fuerza electromagnética y gravitatoria, a lo que Einstein dedicó sus últimos años) (AD 365).

214_{Luego Einstein se lamentaría largamente de esta modificación, fruto de no haber podido aceptar un} universo en expansión.

esporádicamente, con el objeto de ajustar las escalas de tiempo en la curva de expansión en función del tiempo, de cara a los datos experimentales que iban obteniéndose; ahora se empleaba nuevamente para describir los efectos de la presión negativade la energía del vacío verdadero. Sucede que cuando esta constante toma valor positivo es de naturaleza repulsiva, esto es, contrarresta la tendencia gravitatoria de la materia. Reeves resalta que esta “equivocación” por parte de Einstein en la inclusión de su constante cosmológica fue precisamente lo que permitió la introducción de las energías de vacío216. En 1995 L. Krauss y M. Turner ya habían recurrido a la constante cosmológica para postular hipotéticamente un universo en aceleración, y explicar así ciertos datos observacionales que no se esclarecían satisfactoriamente bajo el modelo de un universo en expansión desacelerada: por un lado, ciertas estrellas que parecían mayores que la edad del universo; además, se habían registrado objetos muy lejanos que parecerían estar moviéndosemás lentamentede lo que la Ley de Hubble217predeciría.

Si bien “no existe aún una teoría fundamental que pueda predecir sin ambigüedad su valor actual”218, se ha aproximado el valor probable de λ a partir de los datos recogidos

por las observaciones de las citadas supernovas, juntos con las estimaciones surgidas de otros experimentos científicos. Todas estas investigaciones indicarían hoy que la

contribución de λ sería de un 70% de la densidad crítica.Así, la energía oscura sería “la forma de materia – energía que más abunda en el universo hoy”219. Las observaciones del WMAP arrojaron el siguiente resultado, considerado definitorio por los cosmólogos: “el universo tiene sólo un 4% de materia ordinaria, el material del que están hechos las estrellas, los árboles y las personas. 23% es materia exótica: la materia oscura, la cual los astrofísicos estiman constituida por una partícula aún no detectada. Y el resto, 73%, es energía oscura”220