Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt




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títuloJeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt
fecha de publicación21.12.2015
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El Universo y su quintaesencia
El universo aparece gobernado por un campo de energía invisible, agente de su expansión acelerada
Jeremiah P. Ostriker y Paul J. Steinhardt
¿No hay nada más que decir? ¿Entendemos el cosmos, salvo detalles nimios? Tal parecía, escasos años atrás. Después de un siglo de acalorados debates, la ciencia había llegado a un cuerpo de doctrina comúnmente admitido sobre las líneas esenciales de la historia del universo. Todo comenzaría con gas y radiación sometidos a temperaturas y densidades altísimas. Se irían expandiendo y enfriando a lo largo de 15.000 millones de años. Las galaxias y otras estructuras complejas se desarrollarían a partir de unas semillas microscópicas -las fluctuaciones cuánticas-, estirándose hasta un tamaño cósmico en un período breve de "inflación". Sólo una pequeña fracción de la materia estaría formada por los elementos químicos de nuestra experiencia diaria. En su proporción mayor se hallaría constituida por materia oscura, partículas elementales exóticas que no interactúan con la luz. Pese a los misterios por resolver, tal sería, a grandes trazos, el cuadro.
O eso era lo que pensábamos. Pero resulta que nos habíamos perdido la mayor parte de la historia. En los últimos cinco años las observaciones han convencido a los cosmólogos de que los elementos químicos y la materia oscura, en conjunto, constituyen menos de la mitad del contenido del universo. El grueso se lo lleva una "energía oscura" omnipresente, dotada de una curiosa propiedad: su gravedad no ejerce una fuerza de atracción. Repele. Por la gravedad, elementos químicos y materia oscura se ven forzados a crear estrellas y galaxias; por su gravedad repulsiva la energía oscura forma una neblina casi homogénea que baña el espacio.
El universo es un campo de batalla entre dos tendencias, donde triunfa la gravedad repulsiva. Poco a poco va venciendo a la fuerza atractiva de la materia común; en virtud de ello, provoca que el universo se acelere continuamente a ritmos de expansión cada vez mayores, conduciéndolo quizás hacia una nueva fase inflacionaria y hacia un futuro totalmente diferente del que los cosmólogos imaginaban diez años atrás.
Hasta hace poco, la ciencia se había centrado en confirmar la existencia de la energía oscura. Su atención se dirige ahora hacia un problema más profundo: ¿de dónde viene esa energía? Lo más plausible es que sea inherente a la construcción del espacio. Aun cuando cierto volumen del espacio estuviera vacío del todo -sin ningún residuo de materia o radiación- seguiría alojando la energía en cuestión. Esta constituye una noción respetable desde Albert Einstein y su intento, en 1917, de elaborar un modelo estático del universo. Igual que Isaac Newton y otros científicos eximios, Einstein creía en un universo inalterable, sin contracción ni expansión. Para establecer su teoría de la relatividad general, tuvo que incluir una energía de vacío o, por emplear su terminología, una constante cosmológica. Ajustó el valor de la constante de suerte tal, que la repulsión gravitatoria se viera exactamente compensada con la atracción gravitatoria de la materia.
Más tarde, cuando los astrónomos establecieron la expansión del cosmos, Einstein se arrepintió de su delicado ajuste artificial. Lo consideró su mayor error. Pero quizá su duro juicio pecó de apresuramiento. Si la constante cosmológica tuviera un valor ligeramente mayor del que Einstein propuso, la repulsión superaría a la atracción de la materia y se aceleraría la expansión cósmica.

Muchos cosmólogos, no obstante, se inclinan ahora por otra idea distinta, conocida como "quintaesencia" La traducción sería "el quinto elemento", en alusión a la filosofía griega, que describía un universo formado por los "elementos" tierra, aire, fuego yagua, más una sustancia sutil que impediría que la Luna y los planetas se desplomaran sobre el centro de la esfera celeste. Hace tres años, Robert R. Caldwell, Rahul Dave y uno de los autores (Steinhardt), entonces en la Universidad de Pennsylvania, adoptamos el término con otro significado: un campo cuántico y dinámico, no distinto de los campos eléctricos o magnéticos, que repele gravitatoriamente.
En la quintaesencia lo que los cosmólogos encuentran fascinante es su dinamismo. Toda teoría de la energía oscura halla su principal reto en la justificación de la cantidad necesaria de la misma; no excesiva, que impediría la formación de estrellas y galaxias, aunque sí la suficiente para que sus efectos se sientan todavía hoy. La energía de vacío es completamente inerte, manteniéndose siempre a la misma densidad. Por consiguiente, para explicar la cantidad actual de energía oscura, el valor de la constante cosmológica tendría que estar finamente ajustado en la creación del universo para que poseyera el valor idóneo, razón por la cual esa constante presenta el aire de un factor harto confuso. En contraste con ello, la quintaesencia interactúa con la materia y evoluciona con el tiempo, por lo que podría naturalmente ajustarse para alcanzar el valor observado hoy.

EL TRIANGULO CÓSMICO. En esta gráfica de observaciones cosmológicas, los ejes representan los valores posibles de tres características decisivas del universo. Si el universo fuera plano, tal y como sugiere la teoría inflacionaria, los tipos diferentes de observaciones (áreas coloreadas) y la línea de curvatura cero (línea roja) deberían superponerse. Hoy día, los datos del fondo de microondas facilitan una mejor superposición si la energía oscura consistiera en quintaesencia (línea discontinua) más que si ésta fuera la constante cosmológica (área verde).

Dos tercios de realidad
La distinción entre ambas opciones reviste interés máximo. Los físicos de partículas recurrieron a los aceleradores de altas energías para descubrir nuevas formas de energía y materia. Ahora, el propio cosmos nos revela una clase de energía sin precedentes, sutilmente dispersa; de tan débil interacción, que escapa a la capacidad detectora de los aceleradores. Para desarrollar una teoría fundamental de la naturaleza resulta imperioso establecer si esta energía es inerte o dinámica. Los físicos de partículas se han percatado de que deben estar pendientes de los avances en el cielo, no menos que de los progresos en los aceleradores.
La investigación de la energía oscura se ha ido consolidando paso a paso a lo largo de los últimos diez años. El primero se dio con la elaboración del censo de toda la materia contenida en las galaxias y en los cúmulos galácticos; se emplearon técnicas ópticas, de rayos X y de radio. Se determinó que la masa total almacenada en los elementos químicos y en la materia oscura da cuenta sólo de un tercio aproximadamente de la cantidad global que la mayoría de los teóricos predicen, la llamada densidad crítica.
Muchos cosmólogos se acogieron a ese resultado para poner en tela de juicio los postulados teóricos. Estaríamos viviendo en un universo en permanente expansión, cuyo espacio sería curvo hiperbólico, como la salida de una trompeta. Pero semejante interpretación quedó descartada tras las mediciones de manchas calientes y frías de la radiación del fondo de microondas, cuya distribución demuestra que el espacio es plano y que la densidad total de energía es igual a la densidad crítica. Si engarzamos las dos observaciones y recurrimos a una aritmética simple, advertiremos la necesidad de una componente energética adicional que dé cuenta de los dos tercios de la densidad de energía perdida.
Cualquiera que sea su naturaleza, la nueva componente habrá de ser oscura, ni absorberá ni emitirá luz, pues si lo hiciera se habría detectado ya. En eso se asemeja a la materia oscura. Pero la nueva componente -llamada energía oscura- difiere de la materia oscura en un aspecto crucial: debe ser gravitatoriamente repulsiva, pues de lo contrario la energía oscura habría sido arrastrada hacia las galaxias y los cúmulos, donde hubiera afectado al movimiento de la materia visible. No se ve rastro de tal influencia. No sólo eso. La repulsión gravitatoria resuelve la "crisis de edad" que padeció la cosmología en los años noventa. Si partimos de las medidas actuales de la velocidad de expansión y se supone que ésta se ha ido frenando, la edad del universo se cifra en menos de 12.000 millones de años.
Pero existen pruebas que apuntan a que algunas estrellas de nuestra galaxia tienen 15.000 millones de años. Al provocar la aceleración de ritmo de expansión del universo, la repulsión determina que la edad estimada del cosmos coincida con la edad observada de los objetos celestes.
El punto flaco potencial de la argumentación residía en que la repulsión gravitatoria acelerase la expansión, fenómeno que aún no se había observado. Pero en 1998 se dio un paso firme. Dos grupos independientes tomaron medidas de supernovas muy distantes y descubrieron un cambio en el ritmo de expansión.

LA TARTA DEL UNIVERSO El ingrediente principal del universo es la "energía oscura", formada o por la constante cosmológica o por la quintaesencia, un campo cuántico. Los otros ingredientes son la materia oscura compuesta de partículas elementales exóticas, de materia común (visible y no luminosa) y de cantidades traza de radiación.
Ambos grupos concluyeron que el universo se aceleraba y que lo hacía con el ritmo predicho por la teoría.
Todas estas observaciones reducen lo esencial a tres números: la densidad promedio de la materia (la común y la oscura), la densidad promedio de la energía oscura y la curvatura del espacio. De acuerdo con las ecuaciones de Einstein, las tres cantidades se suman en la densidad crítica. Las posibles combinaciones de los tres números se representan mediante un sencillo diagrama triangular. Los tres conjuntos de observaciones -el censo de la materia, el fondo cósmico de microondas y las supernovas-se corresponden con tiras del interior del triángulo. Las tres tiras se superponen en la misma posición, lo que es, sin duda, una prueba de la energía oscura.
De la implosión a la explosión
En nuestra experiencia nos las vemos con la materia común, que cumple la ley de la atracción gravitatoria. Nos resulta harto difícil imaginar que la energía oscura pueda repelerse gravitatoriamente. El quid de la cuestión se encierra en su presión, que es negativa. En la ley de Newton de la gravedad, la presión no desempeña ningún papel; la fuerza de la gravedad depende sólo de la masa. En la ley de Einstein de la gravedad, sin embargo, la fuerza de la gravedad depende no sólo de la masa, sino también de otras formas de energía y de la presión. De ese modo, la presión ejerce un doble efecto: directo (originado por la acción de la presión sobre la materia circundante) e indirecto (causado por la gravitación que la presión genera).
El signo de la fuerza gravitatoria se determina por la combinación algebraica de la densidad total de energía más tres veces la presión. Si la presión es positiva, como en el caso de la radiación, la materia común y la materia oscura, entonces la combinación es positiva y la gravitación, atractiva. Si la presión es lo suficientemente negativa, la combinación final resulta también. negativa y la gravitación, repulsiva. Para expresarlo de forma cuantitativa, los cosmólogos consideran la relación entre la presión y la densidad de energía, conocida como la ecuación de estado, o "w". Para un gas ordinario, "w" es positivo y proporcional a la temperatura. Pero en algunos sistemas, "w" puede ser negativo. Si su valor es inferior a -1/3, la gravedad es repulsiva.
La energía de vacío cumple esta condición (en el supuesto de que su densidad sea positiva). Se trata de una consecuencia de la ley de la conservación de la energía, según la cual la energía nunca puede destruirse. O dicho en términos matemáticos, el ritmo de cambio de la densidad de energía es proporcional a "w + 1". Para la energía de vacío -cuya densidad, por definición, nunca cambia- esta suma debe ser nula. En otras palabras, "w" ha de ser precisamente igual a -1. Por lo que la presión tiene que ser negativa.
¿ Qué significa tener una presión negativa ? La mayoría de los gases calientes presentan presiones positivas; la energía cinética de los átomos y la radiación los empuja hacia fuera del recipiente. Nótese que el efecto directo de una presión positiva, empujar, se opone al efecto de su gravitación, atraer. Pero cabe imaginar una interacción entre átomos que sobrepase la energía cinética y origine que el gas explote hacia dentro (implosione). El gas implosivo tiene una presión negativa. Un globo con este gas reventaría hacia dentro, ya que la presión del exterior (cero o positiva) excedería a la presión del interior (negativa). Curiosamente, el efecto directo de una presión negativa, implosión, puede ser opuesto al de su gravitación, repulsión.
Una precisión improbable
En un globo el efecto gravitatorio es muy pequeño. Imaginemos, sin embargo, que el espacio entero se llena del gas implosivo. No habría, en este caso, ningún borde superficial ni presión exterior alguna. El gas aún tiene presión negativa, pero no hay nada que lo empuje, por lo que no ejercería efectos directos. Sólo poseería el efecto gravitatorio, es decir, la repulsión. La repulsión ensancha el espacio, aumentando su volumen y, como consecuencia, la cantidad de energía de vacío. Por tanto, la tendencia del ensanchamiento se ve reforzada a sí misma. El universo se expande a un ritmo acelerado. La energía de vacío crece a expensas del campo gravitatorio.
Estos conceptos pueden parecer extraños. También a Einstein le resultaron difíciles de asimilar. El, que consideraba un universo estático, motivación última de la energía de vacío, lo creyó un error desafortunado que no debía haber cometido. Pero la constante cosmológica, una vez introducida, no se desvanecería con facilidad. Los teóricos cayeron en la cuenta de que los campos cuánticos poseían una cantidad finita de energía de vacío, una manifestación de las fluctuaciones cuánticas que producen pares de partículas "virtuales" desde el principio. Una estimación del total de energía de vacío producida por todos los campos conocidos predice una cantidad enorme: 120 órdenes de magnitud más que la densidad de energía de toda la materia. Esto quiere decir que, aunque cueste imaginarlo, las partículas virtuales deberían contribuir con una densidad de energía constante y positiva, lo que a su vez implicaría una presión negativa. Ahora bien, si esta estimación es correcta, la aceleración de grandes espacios separaría los átomos, las estrellas y las galaxias. Se trata, a todas luces, de una estimación incorrecta. Uno de los principales objetivos de las teorías unificadas de la gravitación ha sido configurar el motivo.
A tenor de cierta propuesta, alguna simetría no descubierta en la física fundamental cancelaría los efectos mayores, anulando la energía de vacío. Por ejemplo, las fluctuaciones cuánticas de los pares de partículas virtuales contribuyen con energía positiva a las partículas con espín semientero (el de quarks y electrones), pero con una energía negativa a las partículas con espín entero (los fotones). En las teorías estándar, la cancelación es inexacta, y deja de lado una densidad de energía inaceptablemente grande. Pero los físicos han explorado los modelos con la llamada supersimetría, una relación entre los dos tipos de partículas que puede conducir a una cancelación exacta. Adolece, sin embargo, de un grave inconveniente: la supersimetría sería válida sólo para muy altas energías. Los teóricos siguen buscando una forma de preservar los efectos de cancelación incluso a bajas energías.
En otro cuadro teórico, la energía de vacío no se anularía con exactitud. Habría, quizás, algún mecanismo de cancelación imperfecto. En vez de otorgar a la constante cosmológica el valor de exactamente cero, el mecanismo sólo cancelaría hasta el 120 decimal. Entonces, la energía de vacío constituiría los dos tercios perdidos del universo. Con todo, esto resulta muy confuso. ¿Qué mecanismo podría operar con tal precisión? Aunque la energía oscura represente una cantidad enorme de masa, se extiende de forma tan sutil que su energía es inferior a 4 electronvoltios por milímetro cúbico, lo que para un físico de partículas es extremadamente bajo. La fuerza más débil conocida en la naturaleza comporta densidades de energía que son 1050 veces superiores.
Si extrapolamos hacia atrás en el tiempo, la energía de vacío se nos ofrece incluso más paradójica. Hoy día la materia y la energía oscura tienen densidades promedio similares. Pero hace miles de millones de años, cuando comenzaron a existir, nuestro universo era del tamaño de un pomelo, por lo que la materia era 100 órdenes de magnitud más densa. La constante cosmológica, sin embargo, habría tenido el mismo valor que ahora. En otras palabras, por cada 10100 partes de materia, los procesos físicos habrían generado una parte de energía de vacío; grado éste de exactitud que parece matemáticamente razonable, pero que resulta absurdo en el mundo real. Esta necesidad de un ajuste casi titánico constituye el motivo principal de buscar otras alternativas a la constante cosmológica.
Trabajo de campo
Afortunadamente, la energía de vacío no es el único proceso por el que se producen presiones negativas. Otro mecanismo es una fuente de energía que, en oposición a la energía de vacío, varía en el espacio y en el tiempo, un reino de posibilidades que se resume en la palabra quintaesencia. Para la quintaesencia, "w" no ha de tener valores fijos, aunque ha de ser inferior a -1/3 a fin de que la gravedad sea repulsiva.
La quintaesencia puede adoptar muchas formas. Los modelos más sencillos proponen un campo cuántico cuya energía varía con tal parsimonia que, a primera vista, recuerda una energía de vacío constante. La idea está tomada de la cosmología inflacionaria; allí, un campo cósmico conocido como "inflatón" conduce la expansión en el universo temprano utilizando un mismo mecanismo. Difieren sobre todo en un punto importante: la quintaesencia es bastante más débil que el "inflatón". Hace ya diez años Christof Wetterich, Bharat Ratra y P. James E. Peebles abordaron la hipótesis.
En el marco de la teoría cuántica, los procesos físicos admiten una descripción sea en términos de campos o sea en términos de partículas. Puesto que la quintaesencia tiene densidades de energía muy pequeñas y varía de forma gradual, una partícula de quintaesencia sería inconcebiblemente ligera y grande, nada menos que del tamaño de un supercúmulo galáctico. Parece, pues, más razonable optar por una descripción mediante campos. La idea de campo nos traslada a una distribución continua de energía que asigna a cada punto del espacio un valor numérico, la intensidad del campo. La energía del campo tiene una componente cinética, que depende de la variación temporal de la intensidad de dicho campo, y una componente potencial, que depende sólo del valor de la intensidad. Conforme el campo cambie, se desplazará el equilibrio entre la energía potencial y la cinética.
En el caso de la energía de vacío, recuérdese que la presión negativa era el resultado directo de la conservación de la energía; impone ésta que cualquier variación de la densidad de energía es proporcional a la suma de la densidad de energía (un número positivo) y la presión. Para la energía de vacío, el cambio es nulo, por lo que la presión tiene que ser negativa. Para la quintaesencia, el cambio es lo suficientemente gradual como para que la presión siga siendo negativa, aunque menos negativa. A esta condición le corresponde tener más energía potencial que cinética.
Al ser menos negativa la presión, la quintaesencia no acelera el universo con la fuerza con que lo hace la energía de vacío. En última instancia, serán los observadores los que decidirán entre las dos. Aunque la quintaesencia se muestra más acorde con los datos disponibles, la distinción no resulta todavía significativa desde el punto de vista estadístico. Además, a diferencia de la energía de vacío, el campo de la quintaesencia puede estar sometido a todo tipo de evoluciones complejas. El valor de w podría ser positivo, luego negativo y, de nuevo, positivo. Podría adoptar valores distintos en lugares diferentes. Pese a que la falta de uniformidad se presume pequeña, podría ser detectable estudiando la radiación del fondo cósmico de microondas.
Una diferencia ulterior radica en la perturbación de la quintaesencia. Las ondas se propagan por ella como las ondas sonoras a través del aire. En el argot científico, la quintaesencia es "blanda". La constante cosmológica de Einstein, por contra, es rígida; no puede modificarse. Lo que da pie a una cuestión interesante. Cualquier forma de energía conocida es blanda hasta cierto punto. Quizá la rigidez sea una idea sin existencia real, en cuyo caso la constante cosmológica constituiría una imposibilidad. La quintaesencia con w cercano a -1 podría ser la aproximación razonable más cercana.
La quintaesencia en las branas

Al afirmar que la quintaesencia es un campo hemos dado el primer paso para explicarla. ¿De dónde puede venir un campo tan extraño como ése? Los físicos de partículas encuentran explicaciones para fenómenos muy dispares, desde la estructura de los átomos hasta el origen de la materia, pero la quintaesencia permanece ayuna de razones. Aunque las teorías modernas de las partículas elementales incluyen muchas clases de campos que cumplen con el comportamiento requerido, no se sabe todavía que sus energías potenciales y cinéticas produzcan presiones negativas.
De acuerdo con cierta hipótesis exótica, la quintaesencia necesita de una física de más dimensiones. En los últimos decenios, se ha venido investigando la teoría de cuerdas, que podría conjugar la relatividad general con la mecánica cuántica en una teoría unificada de las fuerzas fundamentales. Los modelos de cuerdas predicen la existencia de 10 dimensiones, cuatro de las cuales son las tres dimensiones espaciales más el tiempo. Las seis restantes deben estar camufladas. En algunas formulaciones, éstas se doblan, como en una pelota cuyo radio, demasiado pequeño, resultara indetectable (al menos para la instrumentación actual). Para otra hipótesis alternativa, la razón se encuentra en una extensión de la teoría de cuerdas, la teoría M (teoría de membranas o simplemente branas), que añade una undécima dimensión: la materia común está confinada en dos superficies tridimensionales llamadas "branas", separadas por un intervalo microscópico a lo largo de la undécima dimensión.

EXPANSION Y QUINTAESENCIA El universo se expande a distintos ritmos en función de cuál sea la forma de energía predominante. La materia provoca que el crecimiento se frene, mientras que la constante cosmológica induce su aceleración. La quintaesencia está a mitad de camino: fuerza a que la expansión se acelere, pero más lentamente. Con el tiempo la aceleración podría o no cambiar (líneas discontinuas).
No estamos capacitados para observar tales dimensiones supernumerarias; ahora bien, si existen, tendríamos que poder percibirlas por vía indirecta. De hecho, la presencia de dimensiones enrolladas o de branas cercanas actuaría como un campo. El valor numérico que el campo asigna a cada punto del espacio podría corresponderse con el radio o con la distancia del intervalo. Si este radio o el intervalo cambiaran lentamente con la expansión del universo, se comportarían exactamente igual que el hipotético campo de la quintaesencia.

Curiosa coincidencia
Cualquiera que sea el origen de la quintaesencia, su dinamismo parece haber solucionado el espinoso problema del ajustado fino. Para abordar tal cuestión podemos preguntarnos por qué la aceleración cósmica comenzó en ese momento particular de la historia. Creada cuando el universo sólo tenía 10-35 segundos, la energía oscura debe haber permanecido en la sombra durante casi 10.000 millones de años, un factor que supera en 1050 a la edad. Sólo entonces, tal y como sugieren los datos, superó a la materia y determinó que el universo comenzara a acelerarse. ¿No es una coincidencia que, justo cuando los seres pensantes evolucionaron, el universo se acelerara? La suerte de la materia parece haber ido asociada a la de la energía oscura. Pero, ¿cómo?
Si la energía oscura es energía de vacío, resulta punto menos que imposible explicar dicha coincidencia. Martin Rees, de la Universidad de Cambridge, y Steven Weinberg, de la de Texas en Austin, han propuesto una explicación antrópica. Quizá nuestro universo sea uno más entre una multitud de universos, en cada uno de los cuales la energía de vacío adopta un valor diferente. Los universos con energías de vacío superiores a 4 electronvoltio por milímetro cúbico podrían abundar, pero se expandirían demasiado rápido para la formación de estrellas, planetas y vida. Nuestro universo tendría el valor óptimo. Sólo en éste, "el mejor mundo de todos", podría haber seres inteligentes capaces de contemplar la naturaleza del universo. Pero los físicos discrepan sobre la validez explicativa del argumento antrópico.
Una respuesta más satisfactoria que incluye una forma de la quintaesencia conocida como campo de trazas, ha sido propuesta por Ratra y Peebles, de Princeton, y por Steinhardt, Ivaylo Zlatev y Limin Wang, de la Universidad de Pennsylvania. Las ecuaciones que describen los campos de trazas tienen un comportamiento clásico de atractor, lo mismo que los que hallamos en ciertos sistemas caóticos. En tales sistemas, el movimiento converge hacia el mismo resultado para un amplio rango de condiciones iniciales; una canica puesta en una bañera vacía siempre cae hacia el desagüe no importa dónde se coloque.
De forma similar, la densidad inicial de energía del campo de trazas no tiene por qué quedar prefijada en un valor determinado, porque el campo se ajusta a sí mismo rápidamente. Se imbrica en una traza en la que la densidad de energía permanece con un factor casi constante de la densidad de radiación y materia. En este sentido. la quintaesencia imita a la materia ya la radiación, aun cuando su composición difiera por completo. Se da ese parecido porque la densidad de radiación y materia determina el ritmo de expansión cósmica lo que, a su vez, controla la velocidad a la que se modifica la densidad de la quintaesencia. Considerado más de cerca, se descubre que esta fracción crece de un modo paulatino. En alcanzar su valor final tarda la quintaesencia muchos millones de años, si no miles de millones de años.

CUANDO VER ES CREER. Los datos de las supernovas podrían ser una vía para decidir entre la quintaesencia y la constante cosmológica. Esta última hace que el universo se acelere muy rápidamente, por lo que las supernovas con un determinado corrimiento hacia el rojo se hallarían muy lejanas y, por tanto, serían muy débiles. Los telescopios actuales (datos mostrados en color gris) no pueden discernir entre los dos casos, pero la Sonda de Aceleración de supernovas (Supernova Acceleration Probe) podrá. Las magnitudes de las supernovas, según lo predicho por cuatro modelos, se presentan en el diagrama con diferentes colores.

¿Por qué la quintaesencia alcanzó su valor cuando lo hizo') La aceleración cósmica podría haber comenzado en el pasado con idéntica facilidad con que podría hacerlo en un futuro remoto; todo depende de la elección de las constantes en la teoría del campo de trazas. Lo que nos lleva de nuevo a las coincidencias. Pero quizá se dio algún suceso en el pasado reciente que desencadenó la aceleración. Steinhardt, junto con Christian Armendáriz Picón y Viatcheslav Mukhanov, de la Universidad Ludwig Maximilian en Munich, sostienen que tal episodio pudo ser la transición del dominio de la radiación al dominio de la materia. Según la teoría de la gran explosión. la energía del universo se concentraba principalmente en forma de radiación. A medida que el universo se enfriaba, la radiación perdía energía más deprisa que materia. Cuando el universo contaba con unas pocas decenas de miles de años -un tiempo muy corto en términos logarítmicos el balance de la energía se desplazó a favor de la materia. Este cambio señaló el comienzo de la época dominada por la materia, de la cual nosotros somos beneficiarios. Sólo entonces la gravedad pudo congregar la materia en galaxias y macroestructuras. Al mismo tiempo, cambió la velocidad de expansión del universo.
En cierta variante de los modelos de trazas, tal transformación desencadenó una serie de sucesos que condujeron a la aceleración cósmica actual. A lo largo de la mayor parte de la historia del universo, la quintaesencia persistió relacionada con la energía de radiación; constituía una componente insignificante del cosmos. Pero cuando el universo se convirtió en un dominio de la materia, el cambio en el ritmo expansivo sacó a la quintaesencia de su comportamiento imitador. En vez de seguir a la radiación o incluso a la materia, la presión de la quintaesencia adoptó un valor negativo. Su densidad permaneció casi fija y terminó por sobrepasar la menguante densidad de materia. En un escenario así, el que los seres pensantes y la aceleración cósmica comenzaran a existir casi al mismo tiempo no constituye una mera coincidencia. Ambas la formación de las estrellas y los planetas necesarios para la vida y la transformación de la quintaesencia en una componente de presión negativa, se desencadenaron con la instauración del dominio de la materia.
Con la mirada en el futuro
Muy pronto, la atención de los cosmólogos se centrará en la detección de la quintaesencia. Presenta, cierto, efectos observables. Puesto que su valor de w difiere del de la energía de vacío, provoca un ritmo de aceleración cósmica distinto. Con las mediciones precisas de las supernovas, a lo largo de un amplio rango de distancias podría discriminarse entre ambos. Los astrónomos han propuesto dos nuevos observatorios con el fin de resolver la cuestión: la Sonda de Aceleración de Supernovas y el Telescopio terrestre de gran apertura para búsquedas. Los distintos ritmos de aceleración engendran también diferencias pequeñas en el tamaño angular de las manchas calientes y frías de la radiación del fondo cósmico de microondas; deberían detectarlo la Sonda para la anisotropía del fondo de microondas y el satélite Planck.
Otras pruebas consistirían en medir la variación del número de galaxias con corrimiento hacia el rojo, para averiguar el cambio operado por el ritmo de expansión del universo a lo largo del tiempo. La Sonda para la evolución del espacio extragaláctico profundo, controlada desde tierra, se encargará de ese aspecto.
A más largo plazo, la ciencia deberá asimilar las implicaciones de los descubrimientos, que sin duda nos conducirán a una nueva interpretación del lugar que ocupamos en la historia cósmica. Al principio (entendiendo por tal el inicio del que disponemos alguna pista) existió la inflación, un período de expansión acelerada subsiguiente a la gran explosión. El espacio carecía casi de materia entonces; un campo cuántico parecido a la quintaesencia con su presión negativa comenzó a influir en la historia. En ese período, el universo se expandió un factor mayor de lo que lo ha hecho durante los 15.000 millones de años desde que la inflación terminara. Al final de la inflación, el campo degeneró en gas caliente de quarks, gluones, electrones, luz y energía oscura.
Durante miles de años, el espacio se encontraba empapado de radiación; los átomos no podían siquiera formarse. Hasta que la materia tomó el control. El paso siguiente -nuestra época- es uno de continuo enfriamiento, condensación y de evolución de estructuras complicadas de mayor tamaño. Pero este período se acerca a su fin. La aceleración cósmica remite. El universo que conocemos hoy, con estrellas, galaxias y cúmulos brillantes, parece haber constituido un breve interludio. A medida que. la aceleración domine en los próximos 10.000 millones de años, la materia y la energía del universo se diluirán y el espacio se ensanchará tan rápidamente, que se impedirá la formación de nuevas estructuras. Los objetos vivientes encontrarán al cosmos bastante hostil. Si la aceleración está causada por la energía de vacío, entonces la historia cósmica ha culminado: los planetas, las estrellas y las galaxias que vemos constituyen el pináculo de la evolución cósmica.
Pero si la aceleración se debe a la quintaesencia, el final está todavía por escribir. El universo podría proseguir en sempiterna aceleración, o la quintaesencia podría degenerar en nuevas formas de materia y radiación repoblando así el universo. A1 ser tan exigua la densidad de energía oscura, la materia proveniente de ella podría portar energía insuficiente para engendrar algo de interés. Bajo determinadas condiciones, sin embargo, la quintaesencia podría degenerar a través de la nucleación de burbujas. El interior de la burbuja estaría vacío, pero sus paredes podrían ser lugares de vigorosa actividad. Conforme la pared de la burbuja se desplazara hacia fuera, barrería toda la energía obtenida de 1a degeneración de la quintaesencia. En algún caso, dos burbujas chocarían con liberación de fantásticas exhibiciones pirotécnicas; se formarían quizá partículas muy masivas como los neutrones y protones, tal vez estrellas y planetas.
A los habitantes del futuro, el universo les parecerá muy inhomogéneo, donde la vida quedaría confinada en islas remotas separadas por inmensos vacíos. ¿Se imaginarán ellos que su origen fue el de un universo homogéneo e isotrópico como el que nosotros contemplamos ahora') ¿Llegarán a saber que el universo estuvo vivo una vez y que murió con el fin de disfrutar de una segunda oportunidad?
Los experimentos podrían ofrecernos pronto alguna idea sobre nuestro futuro. ¿Será el fin mortal de la energía de vacío o el potencial indomeñado de la quintaesencia? Al final, la respuesta dependerá de si la quintaesencia tiene un lugar en la naturaleza, el reino, quizá, de la teoría de cuerdas. Nuestro puesto en la historia cósmica es función de la relación entre la ciencia de lo muy grande y de lo muy pequeño.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA
Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation of State. Robert R. Caldwell, Rahul Dave and Paul J. Steinhardt in Physical Review Letters, Vol. 80, No. 8, pages 1582–1585; February 23, 1998. Available at xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9708069
Cosmic Concordance and Quintessence. Limin Wang, R. R. Caldwell, J. P. Ostriker and Paul J.

Steinhardt in Astrophysical Journal, Vol. 530, No. 1, Part 1, pages 17–35; February 10, 2000.

Available at astro-ph/9901388
Dynamical Solution to the Problem of a Small Cosmological Constant and Late-Time Cosmic

Acceleration. C. Armendáriz Picon, V. Mukhanov and Paul J. Steinhardt in Physical Review Letters,Vol. 85, No. 21, pages 4438–4441; November 20, 2000. Available at astro-ph/0004134
Why Cosmologists Believe the Universe Is Accelerating. Michael S. Turner in Type Ia Supernovae:Theory and Cosmology. Edited by Jens C. Niemeyer and James W. Truran. Cambridge University Press, 2000. Available at astro-ph/9904049
A Cyclic Model of the Universe. Paul J. Steinhardt and Neil Turok in Science, Vol. 296, No. 5572,

pages 1436–1439; 2002.

Revista Investigación y Ciencia: 294 - MARZO 2001

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