En este dossier, publicado en su boletín,
el CNRS expresa su opinión sobre los trabajos de astrofísica y cosmología de Jean-Pierre Petit
8 de marzo de 2005
Big Bang Energía Oscura
LA GRAN DESCONOCIDA
En 1998, el terremoto llegó, cuenta Pierre Astier, del Laboratorio de Física Nuclear y Altas Energías: la expansión del Universo se acelera bajo la influencia de una misteriosa
energía oscura.
Esta representaría aproximadamente el 70 % del cosmos. Y desconocemos totalmente su composición. Hasta entonces, sabíamos, dentro del marco de la teoría del Big Bang y a la luz de la relatividad general de Albert Einstein, que el Universo se expandía de forma regular bajo el impulso de una "explosión" inicial. Entonces, el trabajo de los investigadores se reducía a recopilar el contenido del cosmos para "pesarlo" y determinar si la expansión podría detenerse bajo la influencia de la gravedad. Pero hace siete años, las ideas se vieron revolucionadas. Dos equipos independientes entraron en escena: el Supernovae Cosmology Project y la High z Supernova Search Team. Observaron unas cincuenta explosiones de estrellas lejanas (distribuidas entre 1 y 6 mil millones de años luz), asimiladas a supernovas del tipo Ia, es decir, a detonaciones nucleares naturales. Estos fenómenos raros se conocen como "velas estándar", porque su luminosidad absoluta es conocida y se puede determinar su distancia mediante dos métodos diferentes. Sin embargo, durante las observaciones de 1998, las supernovas más lejanas tenían una luz más débil de lo esperado en un Universo cuya expansión se debiera únicamente a la materia. En consecuencia, se impone una conclusión: la aparente debilidad de luminosidad se explica por la distancia del astro. Su galaxia anfitriona se encuentra a una distancia mayor de la que se pensaba. El Universo, por tanto, debe haberse expandido más rápido de lo previsto. Para explicar este fenómeno, es necesario inventar una misteriosa energía oscura que impulsa la expansión. ¿Esta descubrimiento iba a sacudir la teoría del Big Bang? "En absoluto. Solo la revitaliza y le añade emoción", asegura Pierre Astier.
Desde 1998, de hecho, dos confirmaciones adicionales de la aceleración han reforzado esta hipótesis. Y "los últimos resultados indican que este régimen de expansión prevalece desde hace aproximadamente cuatro o cinco mil millones de años, es decir, un 35 % de la historia del Universo", precisa el físico, que pertenece al grupo de investigación creado por Reynald Pain, el único francés que participó en la epopeya estadounidense del Supernova Cosmology Project. Los investigadores franceses utilizan ahora varios telescopios, entre ellos el Canada-France-Hawaii y el Very Large Telescope europeo de Chile. La búsqueda de supernovas lejanas se ha convertido en un objetivo fundamental para estos instrumentos de observación. La ambición: "Detectar cientos", se anima Pierre Astier. Esto es imprescindible si queremos estimar cómo ha evolucionado la aceleración de la expansión en el pasado. Algunos físicos ven en esta fuerza repulsiva la firma de lo que ellos denominan "energía del vacío".
Esta refleja la increíble agitación cuántica del cosmos a escala pequeña. Explicaciones: los científicos ven el vacío —"lo que queda cuando se elimina todo"— como un medio extraño. El vacío absoluto no existe. Constantemente aparecen y desaparecen partículas y antipartículas virtuales. Estos objetos se crean y se desintegran inmediatamente. A ellos se asocia una energía irreductible que se llama "nivel fundamental" o, más modestamente, "energía del vacío". Y, según una experiencia propuesta en 1948 por el holandés Hendrick Casimir, la energía del vacío se comporta como una presión. Una fuerza de repulsión. De ahí la idea de identificarla con la energía oscura, que parece hacer "estallar" el Universo.
Para otros, si la energía oscura evoluciona con el tiempo, podría corresponder a todo un zoológico de objetos exóticos que constituyen la quintaesencia o "quinta esencia", junto con las cuatro fuerzas fundamentales (ver página 28). Como se ha comprendido, el destino de todo el cosmos está en juego. Se hace urgente aclarar las ambigüedades. Con los proyectos en curso, el equipo francés espera detectar 600 supernovas nuevas en cinco años. Por su parte, el telescopio espacial Hubble descubrió dieciséis supernovas en 2003. ¡Que gane el mejor en la búsqueda de la energía oscura!
Frédéric Guérin
CONTACTO
Pierre Astier, astier@in2p3.fr
MATERIA OSCURA: EL OCÉANO INVISIBLE
Es un enigma muy persistente: la materia ordinaria representa menos del 5 % del contenido del cosmos, y más del 95 % del conjunto falta por completo. Si la energía oscura representa el 70 % del Universo, ¿de qué está compuesto el resto? Todo comenzó en 1933, cuando el astrofísico estadounidense Fritz Zwicky observó el cúmulo de Coma en la constelación de la Corona Bélica, a 150 millones de años luz de distancia. Este objeto está compuesto por miles de galaxias comparables a nuestra Vía Láctea. Y reveló que su velocidad de desplazamiento dentro del cúmulo sugiere que hay allí cien veces más materia de la que se ve. En suma, la punta del iceberg. De forma sutil, se dibuja el diagnóstico: las estrellas brillantes, las nubes de gas y polvo que pueblan las galaxias son meros residuos. Flotan en la superficie de un inmenso océano invisible y poderoso que las sacude. Asimismo, en las décadas de 1960-1970, el estudio del movimiento de las estrellas en el centro de las galaxias parecía probar que estas contienen entre cinco y diez veces más materia invisible que materia visible. Para salvar las apariencias, fue necesario "inventar" una materia, oscura o negra, de naturaleza distinta a la que conocemos. Durante los últimos diez años, los científicos constatan una mejora fulgurante en la calidad y cantidad de datos.
Por un lado, la observación de la rotación de las galaxias ha confirmado la presencia de un halo de materia oscura diez veces más masivo que las estrellas. Por otro lado, los cúmulos contienen un gas caliente que alcanza millones de grados. Las mediciones en rayos X de los satélites Chandra (NASA) y XMM (Europa) apuntan aquí a una cantidad de materia oscura cien veces mayor que la materia visible. Finalmente, una herramienta más ha demostrado su eficacia recientemente: las lentes gravitacionales, esos espejismos naturales predichos por la relatividad, proporcionan un poderoso medio para sondear la geometría del Universo. Al observar los efectos de microlentes, se ha podido determinar que la materia oscura galáctica no se compone de átomos en el sentido clásico del término, con núcleo (protones y neutrones) y electrones. Se han bautizado como MACHOs (Objetos Compactos de Halo Masivos) a estos objetos enigmáticos, y los investigadores han estimado que representan menos del 10 % de la cantidad total de materia que habita nuestra galaxia. Entonces, ¿de qué está compuesto el resto del contenido del cosmos que no corresponde a ningún núcleo atómico ni a ninguna partícula conocida? Nadie lo sabe, pero ya se están perfilando algunas ideas. Los físicos ya tienen un candidato...