A principios de la década de 1990, una cosa era bastante cierta sobre la expansión del universo. Podría tener suficiente densidad de energía para detener su expansión y volver a colapsar, podría tener tan poca densidad de energía que nunca dejaría de expandirse, pero la gravedad seguramente ralentizaría la expansión a medida que pasaba el tiempo. Por supuesto, la desaceleración no se había observado, pero, teóricamente, el universo tenía que disminuir. El universo está lleno de materia y la fuerza atractiva de la gravedad une toda la materia. Luego vinieron las observaciones de 1998 y el Telescopio Espacial Hubble (HST) de supernovas muy distantes que mostraron que, hace mucho tiempo, el universo en realidad se estaba expandiendo más lentamente de lo que es hoy. Así que la expansión del universo no se ha desacelerado debido a la gravedad, como todos pensaban, se ha estado acelerando. Nadie esperaba esto, nadie sabía cómo explicarlo. Pero algo lo estaba causando.

Eventualmente, a los teóricos se les ocurrieron tres tipos de explicaciones. Tal vez fue el resultado de una versión descartada durante mucho tiempo de la teoría de la gravedad de Einstein, una que contenía lo que se llamó una «constante cosmológica». Tal vez había algún tipo extraño de fluido de energía que llenaba el espacio. Tal vez hay algo mal con la teoría de la gravedad de Einstein y una nueva teoría podría incluir algún tipo de campo que cree esta aceleración cósmica. Los teóricos todavía no saben cuál es la explicación correcta, pero le han dado un nombre a la solución. Se llama energía oscura.

¿Qué es la energía oscura?

Se desconoce más de lo que se sabe. Sabemos cuánta energía oscura hay porque sabemos cómo afecta la expansión del universo. Aparte de eso, es un completo misterio. Pero es un misterio importante. Resulta que aproximadamente el 68% del universo es energía oscura. La materia oscura representa alrededor del 27%. El resto, todo en la Tierra, todo lo que se ha observado con todos nuestros instrumentos, toda la materia normal, suma menos del 5% del universo. Ahora que lo pienso, tal vez no debería llamarse materia «normal» en absoluto, ya que es una fracción tan pequeña del universo.

Una explicación para la energía oscura es que es una propiedad del espacio. Albert Einstein fue la primera persona en darse cuenta de que el espacio vacío no es nada. El espacio tiene propiedades asombrosas, muchas de las cuales apenas están empezando a ser entendidas. La primera propiedad que Einstein descubrió es que es posible que más espacio llegue a existir. Entonces, una versión de la teoría de la gravedad de Einstein, la versión que contiene una constante cosmológica, hace una segunda predicción: el «espacio vacío» puede poseer su propia energía. Debido a que esta energía es una propiedad del espacio mismo, no se diluiría a medida que el espacio se expande. A medida que más espacio llega a existir, más de esta energía del espacio aparecería. Como resultado, esta forma de energía haría que el universo se expandiera cada vez más rápido. Desafortunadamente, nadie entiende por qué la constante cosmológica debería estar allí, y mucho menos por qué tendría exactamente el valor correcto para causar la aceleración observada del universo.

Otra explicación de cómo el espacio adquiere energía proviene de la teoría cuántica de la materia. En esta teoría, el «espacio vacío» está en realidad lleno de partículas temporales («virtuales») que se forman continuamente y luego desaparecen. Pero cuando los físicos trataron de calcular cuánta energía daría esto al espacio vacío, la respuesta salió mal, equivocada por mucho. El número salió 10¹²⁰ veces demasiado grande. Eso es un 1 con 120 ceros después de él. Es difícil obtener una respuesta tan mala. Así que el misterio continúa.

Otra explicación para la energía oscura es que es un nuevo tipo de fluido o campo de energía dinámica, algo que llena todo el espacio pero algo cuyo efecto en la expansión del universo es el opuesto al de la materia y la energía normal. Algunos teóricos han llamado a esta «quintaesencia», en honor al quinto elemento de los filósofos griegos. Pero, si la quintaesencia es la respuesta, todavía no sabemos cómo es, con qué interactúa o por qué existe. Así que el misterio continúa.

Una última posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein no sea correcta. Eso no solo afectaría la expansión del universo, sino que también afectaría la forma en que se comporta la materia normal en galaxias y cúmulos de galaxias. Este hecho proporcionaría una forma de decidir si la solución al problema de la energía oscura es una nueva teoría de la gravedad o no: podríamos observar cómo las galaxias se unen en cúmulos. Pero si resulta que se necesita una nueva teoría de la gravedad, ¿qué tipo de teoría sería? ¿Cómo podría describir correctamente el movimiento de los cuerpos en el Sistema Solar, como se sabe que hace la teoría de Einstein, y aún así darnos la predicción diferente para el universo que necesitamos? Hay teorías candidatas, pero ninguna es convincente. Así que el misterio continúa.

Lo que se necesita para decidir entre las posibilidades de la energía oscura -una propiedad del espacio, un nuevo fluido dinámico o una nueva teoría de la gravedad- es más datos, mejores datos.

¿Qué es la materia oscura?

Al ajustar un modelo teórico de la composición del universo al conjunto combinado de observaciones cosmológicas, los científicos han llegado a la composición que describimos anteriormente, ~ 68% de energía oscura, ~ 27% de materia oscura, ~ 5% de materia normal. ¿Qué es la materia oscura?

Estamos mucho más seguros de lo que la materia oscura no es que de lo que somos lo que es. Primero, es oscuro, lo que significa que no está en forma de estrellas y planetas que vemos. Las observaciones muestran que hay muy poca materia visible en el universo para constituir el 27% requerido por las observaciones. En segundo lugar, no está en forma de nubes oscuras de materia normal, materia formada por partículas llamadas bariones. Sabemos esto porque seríamos capaces de detectar nubes bariónicas por su absorción de la radiación que pasa a través de ellas. En tercer lugar, la materia oscura no es antimateria, porque no vemos los rayos gamma únicos que se producen cuando la antimateria se aniquila con la materia. Finalmente, podemos descartar grandes agujeros negros del tamaño de una galaxia sobre la base de cuántas lentes gravitacionales vemos. Las altas concentraciones de materia doblan la luz que pasa cerca de ellos desde objetos más lejanos, pero no vemos suficientes eventos de lentes para sugerir que tales objetos constituyan la contribución requerida de materia oscura del 25%.

Sin embargo, en este punto, todavía hay algunas posibilidades de materia oscura que son viables. La materia bariónica aún podría formar la materia oscura si estuviera atada en enanas marrones o en trozos pequeños y densos de elementos pesados. Estas posibilidades se conocen como objetos de halo compacto masivo, o «MACHOs». Pero la opinión más común es que la materia oscura no es bariónica en absoluto, sino que está formada por otras partículas más exóticas como axiones o WIMPS (partículas masivas de interacción débil).

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