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1 de Diciembre de 2020
Cosmología

Posibles indicios sobre la naturaleza de la energía oscura

Un nuevo análisis del fondo cósmico de microondas sugiere que una exótica sustancia llamada quintaesencia podría ser la responsable de la aceleración cósmica.

Mapa de polarización del fondo cósmico de microondas elaborado en 2015 a partir de los datos del satélite Planck. [ESA/Colaboración Planck]

Un trabajo reciente afirma haber descubierto indicios de un intrigante patrón en el modo en que la luz del fondo cósmico de microondas se propaga por el universo. En caso de confirmarse, el resultado podría ofrecer nuevas pistas sobre la naturaleza de la energía oscura, el misterioso agente responsable de que el universo se esté expandiendo cada vez más deprisa.

Dicho patrón ha sido identificado en los datos del satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea, y sugiere que la aceleración cósmica podría deberse a la llamada «quintaesencia», una exótica sustancia que impregnaría todo el universo. Tal descubrimiento exigiría una revisión más que considerable de las teorías actuales, si bien por ahora las pruebas no son concluyentes, puesto que no superan el umbral de significación estadística de 5 sigmas habitualmente usado en física para proclamar un descubrimiento. Con todo, el trabajo subraya que la cosmología moderna aún tiene una imagen incompleta del contenido del universo.

Si la energía oscura se debiera a la quintaesencia, su efecto sobre la expansión cósmica podría debilitarse lentamente, desaparecer o incluso invertirse y convertirse en una fuerza atractiva, lo que provocaría que el universo se contrajera y acabara en una «gran implosión», explica Sean Carroll, físico teórico del Instituto de Tecnología de California. «Volvemos a estar en una situación en la que no tenemos ninguna idea de cómo va a terminar el universo», añade. Los resultados se publican en Physical Review Letters.

El quinto elemento

La primera prueba directa de que una fuerza desconocida estaba acelerando la expansión cósmica llegó en 1998 de la mano de dos estudios independientes sobre supernovas en galaxias lejanas. Desde entonces, numerosos trabajos han confirmado la existencia de esta fuerza, apodada energía oscura, pero han aportado muy poca información sobre su naturaleza.

La primera hipótesis al respecto —y la más aceptada hasta el día de hoy— postula que la energía oscura obedece a una propiedad intrínseca del espacio. En tal caso, la densidad de energía oscura por unidad de volumen permanecería constante en el tiempo y vendría dada por la cantidad conocida como constante cosmológica. Con todo, algunos teóricos han considerado la posibilidad de que la energía oscura corresponda a algo totalmente distinto: un campo físico apodado quintaesencia en honor al «quinto elemento», o éter, el material invisible que en la antigüedad se pensaba que llenaba todo el espacio vacío del universo.

A diferencia de la constante cosmológica, la quintaesencia «es un medio tangible sujeto a sus propias fluctuaciones», explica Robert Caldwell, cosmólogo del Colegio Universitario Dartmouth, en Nuevo Hampshire, y autor de uno de los primeros trabajos que consideraron dicha hipótesis. La quintaesencia podría tener propiedades que estarían a caballo entre las de la materia y las de una constante cosmológica, añade Caldwell. A medida que el universo se expande, una constante cosmológica haría que la densidad de energía oscura permaneciese invariable. En cambio, la densidad de quintaesencia disminuiría, aunque no tan rápido como lo hace la densidad de materia.

En 1998, Carroll propuso una prueba experimental de la quintaesencia basada en la predicción de que esta sustancia alteraría la forma en que la luz se propaga por el espacio. Poco después, un trabajo liderado por Marc Kamionkowski, físico teórico de la Universidad Johns Hopkins, calculó cómo podría medirse dicho efecto en el fondo cósmico de microondas, la radiación emitida muy poco después de la gran explosión.

Los investigadores sugirieron que sería posible detectar signos de quintaesencia en los mapas de polarización del fondo de microondas. Se dice que la luz está polarizada cuando el campo electromagnético vibra en una dirección particular, en lugar de hacerlo aleatoriamente. La predicción es que la quintaesencia haría girar la polarización del fondo de microondas de una manera que podría detectarse analizando su polarización en todo el cielo.

Esa es la señal que ahora podrían haber identificado Yuto Minami, cosmólogo de la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía (KEK), en Japón, y Eiichiro Komatsu, del Instituto Max Planck de Astrofísica de Garching, en Alemania, al analizar los datos de la misión Planck, cuya toma de datos concluyó en 2013.

El propósito principal del satélite Planck era trazar un mapa de las diminutas variaciones de temperatura que motean el fondo cósmico de microondas. Sin embargo, la misión también midió la polarización de dicha luz. Minami y Komatsu han identificado los supuestos indicios de la quintaesencia gracias a una técnica de análisis que propusieron el año pasado.

Sus resultados difieren de los de otros grupos que han analizado los mapas de polarización del fondo de microondas, incluidos los de Planck, y que no han hallado indicio de dichas señales, advierte Suzanne Staggs, física de la Universidad de Princeton cuyo equipo estudia el fondo de microondas con el Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT), en Chile. El equipo de Staggs se ha propuesto ahora probar la técnica de Minami y Komatsu con los datos del ACT. «Estamos interesados en explorarla», señala la investigadora.

Grandes implicaciones

El artículo aporta «un análisis bastante bueno», pero el ruido en los datos de Planck podría complicar las cosas, opina George Efstathiou, cosmólogo de la Universidad de Cambridge y uno de los líderes del equipo científico de la misión Planck.

Los teóricos también están respondiendo con cautela. «Si fuera real, es algo grande», sostiene Carroll. Pero el científico advierte que la significación estadística, de tan solo 2,5 sigmas, es pobre, y que a menudo este tipo de resultados suelen esfumarse cuando se analizan mejor los datos.

Kamionkowski está de acuerdo. «Creo que probablemente queramos revisar todo con mucho cuidado antes de ponernos demasiado nerviosos», señala. Y añade que la quintaesencia tendría implicaciones no solo para la cosmología, sino también para la física fundamental. El modelo estándar de la física de partículas no predice ningún tipo de quintaesencia.

En la actualidad hay otros proyectos en marcha para cartografiar la polarización del fondo de microondas con más precisión que nunca, lo que permitirá poner a prueba la quintaesencia. Tales proyectos incluyen el Observatorio Simons, también en el desierto de Atacama, y LiteBIRD, una futura sonda espacial japonesa.

Si la idea de la quintaesencia resulta ser correcta, cambiará las mejores estimaciones de las propiedades del universo; entre ellas su edad, la cual podría ser algo menor que los 13.800 millones de datos que se deducen de los datos de Planck. También podría ayudar a explicar por qué los datos del fondo de microondas parecen indicar que el universo se expande más despacio de lo que implican las observaciones directas. «La roca sobre la que se sostiene todo es la constante cosmológica. Si eso cambia, podría afectar a todo lo demás», concluye Caldwell.

Davide Castelvecchi/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «New extraction of the cosmic birefringence from the Planck 2018 polarization data»; Yuto Minami and Eiichiro Komatsuen Physical Review Letters, vol. 125, art. 221301, 23 de noviembre de 2020

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