En las últimas décadas, los científicos han descubierto que hay mucho más en el universo de lo que parece: el cosmos parece estar lleno no solo de uno, sino de dos componentes invisibles, la materia oscura y la energía oscura, cuya existencia se ha propuesto. basado únicamente en sus efectos gravitacionales sobre la materia ordinaria y la energía.
Ahora, el físico teórico Robert J. Scherrer ha ideado un modelo que podría reducir el misterio a la mitad al explicar la materia oscura y la energía oscura como dos aspectos de una sola fuerza desconocida. Su modelo se describe en un artículo titulado "Esencia puramente cinética k como materia oscura unificada", publicado en línea por Physical Review Letters el 30 de junio y disponible en línea en http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"Una forma de pensar en esto es que el universo está lleno de un fluido invisible que ejerce presión sobre la materia ordinaria y cambia la forma en que el universo se expande", dice Scherrer, profesor de física en la Universidad de Vanderbilt.
Según Scherrer, su modelo es extremadamente simple y evita los principales problemas que han caracterizado los esfuerzos anteriores para unificar la materia oscura y la energía oscura.
En la década de 1970, los astrofísicos postularon la existencia de partículas invisibles llamadas materia oscura para explicar el movimiento de las galaxias. Con base en estas observaciones, estiman que debe haber aproximadamente 10 veces más materia oscura en el universo que la materia ordinaria. Una posible explicación para la materia oscura es que está compuesta de un nuevo tipo de partícula (llamada Partículas masivas de interacción débil, o WIMP) que no emiten luz y apenas interactúan con la materia ordinaria. Varios experimentos están buscando evidencia de estas partículas.
Como si eso no fuera suficiente, en la década de 1990 llegó la energía oscura, que produce una fuerza repulsiva que parece estar destrozando el universo. Los científicos invocaron la energía oscura para explicar el sorprendente descubrimiento de que la velocidad a la que se expande el universo no se está desacelerando, como la mayoría de los cosmólogos habían pensado, sino que se está acelerando. Según las últimas estimaciones, la energía oscura constituye el 75 por ciento del universo y la materia oscura representa otro 23 por ciento, dejando a la materia ordinaria y la energía con un papel claramente minoritario de solo el 2 por ciento.
La idea unificadora de Scherrer es una forma exótica de energía con propiedades bien definidas pero complicadas llamadas campo escalar. En este contexto, un campo es una cantidad física que posee energía y presión que se extiende por todo el espacio. Los cosmólogos invocaron primero los campos escalares para explicar la inflación cósmica, un período poco después del Big Bang cuando el universo parece haber sufrido un episodio de hiperexpansión, inflando miles de millones de veces en menos de un segundo.
Específicamente, Scherrer utiliza un campo escalar de segunda generación, conocido como esencia k, en su modelo. Paul Steinhardt de la Universidad de Princeton y otros han avanzado los campos de esencia K como una explicación para la energía oscura, pero Scherrer es el primero en señalar que un tipo simple de campo de esencia K también puede producir los efectos atribuidos a la materia oscura.
Los científicos diferencian entre la materia oscura y la energía oscura porque parecen comportarse de manera diferente. La materia oscura parece tener masa y formar aglomeraciones gigantes. De hecho, los cosmólogos calculan que la atracción gravitacional de estos grupos jugó un papel clave en la formación de galaxias en la materia ordinaria. La energía oscura, por el contrario, parece no tener masa y se extiende uniformemente por todo el espacio donde actúa como una especie de antigravedad, una fuerza repulsiva que está separando al universo.
Los campos de esencia K pueden cambiar su comportamiento con el tiempo. Al investigar un tipo muy simple de campo k-esencia, uno en el que la energía potencial es una constante, Scherrer descubrió que a medida que el campo evoluciona, pasa a través de una fase donde puede agruparse e imitar el efecto de partículas invisibles seguido de una fase cuando se extiende uniformemente por todo el espacio y adquiere las características de la energía oscura.
"El modelo evoluciona naturalmente a un estado en el que se ve como materia oscura por un tiempo y luego se ve como energía oscura", dice Scherrer. "Cuando me di cuenta de esto, pensé:" Esto es convincente, veamos qué podemos hacer con él ".
Cuando examinó el modelo con más detalle, Scherrer descubrió que evita muchos de los problemas que han plagado teorías anteriores que intentan unificar la materia oscura y la energía oscura.
El primer modelo para la energía oscura se realizó modificando la teoría general de la relatividad para incluir un término llamado constante cosmológica. Este fue un término que Einstein incluyó originalmente para equilibrar la fuerza de gravedad para formar un universo estático. Pero alegremente dejó caer la constante cuando las observaciones astronómicas del día descubrieron que no era necesaria. Los modelos recientes que reintroducen la constante cosmológica hacen un buen trabajo al reproducir los efectos de la energía oscura, pero no explican la materia oscura.
Un intento de unificar la materia oscura y la energía oscura, llamado modelo de gas Chaplygin, se basa en el trabajo de un físico ruso en la década de 1930. Produce una etapa inicial similar a la materia oscura seguida de una evolución similar a la energía oscura, pero tiene problemas para explicar el proceso de formación de galaxias.
La formulación de Scherrer tiene algunas similitudes con una teoría unificada propuesta a principios de este año por Nima Arkani-Hamed en la Universidad de Harvard y sus colegas, quienes intentan explicar la materia oscura y la energía oscura como resultado del comportamiento de un fluido invisible y omnipresente que ellos llaman un " condensado fantasma ".
Aunque el modelo de Scherrer tiene una serie de características positivas, también tiene algunos inconvenientes. Por un lado, requiere un "ajuste fino" extremo para funcionar. El físico también advierte que se requerirán más estudios para determinar si el comportamiento del modelo es consistente con otras observaciones. Además, no puede responder al problema de la coincidencia: por qué vivimos en el único momento en la historia del universo cuando las densidades calculadas para la materia oscura y la energía oscura son comparables. Los científicos sospechan de esto porque sugiere que hay algo especial en la era actual.
Fuente original: Comunicado de prensa de la Universidad de Vanderbilt
