¿Cómo es el universo? La importancia de distinguir entre materia oscura, energía oscura y expansión

Las ecuaciones –y la observación– confirman que las galaxias se alejan unas de otras. Eso es la expansión del universo. Pero al final del siglo XX se descubrió que no solo se están alejando, sino que lo hacen aceleradamente. Esta aceleración que observamos no tiene cabida, salvo que exista un componente de energía que añada velocidad a la expansión. Y es aquí cuando hablamos de energía oscura.

¿Y la materia oscura? Corresponde aproximadamente al 85 % de toda la masa del universo. La llamamos oscura porque no la podemos ver, ni es absorbida por los materiales, ni tampoco se refleja. Por eso, más que oscura, deberíamos llamarla transparente. Sabemos que existe por la atracción gravitatoria que ejerce sobre las estrellas y el gas, y esta atracción sí es observable. No sabemos si interacciona con el campo electromagnético, pero si lo hace tiene que ser de forma muy débil.

La materia oscura no es responsable de la expansión del universo, y nada tiene que ver tampoco con su aceleración. Es materia que afecta a la distribución de las estrellas en las galaxias. Y explica por qué los objetos celestes rotan mucho más rápido de lo que lo harían en su ausencia.

Energía oscura, la aceleración

No sabemos qué fenómeno físico está detrás de la energía oscura que causa la aceleración de la expansión del universo. Es decir, hay algo desconocido que hace que las galaxias cada vez se alejen a mayor velocidad unas respecto de las otras.

Se barajan diferentes posibles razones para explicar la energía oscura, pero en la mayoría de los escenarios no tiene absolutamente nada que ver con la materia oscura. El consenso general, por tanto, es que ambos fenómenos están completamente desconectados.

La materia oscura se cree que es materia formada por partículas más allá del modelo estándar. La energía oscura no se sabe lo que es.

El espacio-tiempo crece

¿Qué significa que las galaxias se estén alejando?

La expansión actual del universo no se explica con la física de Newton, sino con la relatividad general. La expansión del universo en esta teoría emerge de forma natural como resultado de vivir en un universo homogéneo e isótropo (con las mismas propiedades en todas direcciones).

Pero, ¿qué es lo que está pasando? ¿Las galaxias se distancian en un espacio predeterminado? No, es el espacio el que está creciendo. Es una idea abstracta, nada intuitiva, pero es lo que las ecuaciones de la teoría de la relatividad general nos dicen. Si las galaxias estuvieran absolutamente quietas (no lo están porque se atraen entre ellas), si estuvieran fijadas, aun así, como el universo se expande, se alejarían unas de otras, porque la expansión del universo genera espacio en medio.

En el universo que dibujaba la física de Newton, más intuitiva, el espacio y el tiempo preexisten y es la materia la que se mueve en su interior. En el universo de Einstein, el espacio y el tiempo están vivos. Son entes físicos y el espacio-tiempo se dilata, crece, y la materia lo sigue y a su vez lo moldea. El espacio y el tiempo no preexisten. El espacio y el tiempo son dinámicos.

Esto no es ni bueno ni malo: es sencillamente lo que las ecuaciones nos indican que está ocurriendo.

La expansión acelerada y la energía oscura

Hasta aquí la expansión del universo. La expansión acelerada es otra cosa que puede entenderse con las ecuaciones de Einstein si añadimos la constante cosmológica. Esta constante la introdujo Einstein para mantener el universo estático, pero hoy en día, la cosmología moderna la usa para explicar la aceleración del universo.

El debate actual es si esa constante cosmológica es suficiente o es necesario que la energía oscura evolucione con el tiempo. Para dilucidar cuál de estos escenarios es correcto, hoy en día se está llevando a cabo un buen número de cartografiados del cielo que pronto nos arrojarán más luz sobre la naturaleza de este fenómeno.

La expansión del universo no tiene nada que ver con la energía oscura. La aceleración, sí.

La materia oscura: su efecto a escala local

La materia oscura es un componente material más en las ecuaciones de Einstein. En cuanto al contenido material del universo, la materia oscura es la componente dominante, unas cinco veces más abundante que la materia ordinaria.

La materia oscura fría o CDM, por sus siglas en inglés, Cold Dark Matter, y la materia observable (lunas, planetas, estrellas, galaxias…) producen un efecto de atracción gravitatoria, lo propio de los objetos con masa. Que exista materia oscura explica, también, que los objetos celestes roten mucho más rápido en torno al centro de las galaxias que si solo existiera la materia observable.

Con la expansión del universo, las galaxias se están alejando unas de otras, si hay materia oscura el alejamiento es más difícil que se produzca. Por eso algunas galaxias cercanas entre sí no se separan, porque la materia oscura refuerza la atracción de la gravedad local.

La materia oscura es capaz de contrarrestar la expansión del universo solo hasta un cierto punto. Pero a medida que nos alejamos más (más allá de las escalas de los cúmulos de galaxias) las galaxias vuelven a alejarse unas de otras. Un ejemplo cercano donde la materia oscura vence a la expansión del universo es la futura fusión de nuestra galaxia y la galaxia de Andrómeda.

Andrómeda y la Vía láctea no se van a separar, aunque el universo se está expandiendo. Gracias a su componente de materia oscura, la fuerza de gravedad entre ellas hace que se acerquen y en algún momento se fusionen.

Y así, el universo se expande sin fronteras, crece el espacio-tiempo de forma acelerada, las galaxias se separan entre sí, y en ellas hay un componente de materia transparente que no sabemos qué es, la llamamos oscura.

Todo esto no es ni bueno ni malo, sencillamente, así es el universo.

Ignacio Trujillo Cabrera, Profesor de Investigación, Instituto de Astrofísica de Canarias

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.