La fuerza del sector oscuro

Título del artículo: Cosmological direct detection of dark energy: non-linear structure formation signatures of dark energy scattering with visible matter.
Autores: Fulvio Ferlito, Sunny Vagnozzi, David F. Mota y Marco Baldi.
Institución del primer autor: Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching, Alemania.
Estado de la publicación: Acceso abierto en arXiv.org.

La cosmología es la rama de la astronomía encargada de estudiar el Universo a gran escala, su origen, historia y destino. Es labor de la cosmología, entre muchas otras cosas, determinar de qué está hecho el Universo, y cómo esos componentes interactúan entre sí. Provista de herramientas científicas increíblemente robustas, como el fondo cósmico de radiación y supernovas tipo 1A, la cosmología ha avanzado drásticamente. El modelo cosmológico estándar de hoy en día se llama Lambda-CDM, donde Lambda representa la energía oscura y CDM representa la materia oscura fría, por sus siglas en Inglés. Ahora sabemos, gracias a experimentos y telescopios como WMAP, Planck, SDSS, DES, y muchos otros, que la materia común y corriente que abunda en la Tierra no es más que el ~5% del contenido del Universo. El otro ~95% corresponde a energía oscura (~70%) y materia oscura (~25%). ¿Pero qué son la materia oscura y la energía oscura, exactamente?

El sector oscuro

Lamentablemente no es posible responder esa pregunta con certeza hoy en día. Existen muchas teorías acerca de la materia oscura y la energía oscura. En este momento, las hipótesis más populares plantean que la materia oscura es una partícula desconocida, eléctricamente neutra, posiblemente elemental, probablemente un residuo de cuando el Universo era más joven. Por su parte, la energía oscura parece ser una constante cosmológica, es decir, una energía asociada al mismo espacio vacío. Se cree que permea todo el espacio vacío, no interactuando de ninguna forma aparte de gravitacionalmente. Entre paréntesis, se le dice constante cosmológica por que toma la forma de una constante en las ecuaciones de campo de Einstein, las ecuaciones principales de la relatividad general. Einstein mismo inventó la constante cosmológica por motivos históricos que eventualmente resultaron no ser correctos. Einstein famosamente declaró la constante cosmológica como el mayor error de su carrera… irónicamente, ya que muchos años después pareciera que la constante cosmológica tiene sentido.

No está de más decir que para muchos científicos y científicas, estas teorías no son satisfactorias. Los autores del artículo de hoy proponen un nuevo modelo de energía oscura, capaz de interactuar con materia ordinaria.

La fuerza del sector oscuro

Los autores del artículo de hoy examinan una teoría conocida de una manera nueva. Como decíamos anteriormente, la teoría estándar de la energía oscura es que es una constante cosmológica, que existe en todo el espacio vacío, interactuando gravitacionalmente con el resto del Universo. Los autores, en cambio, consideran qué ocurre si la energía oscura pudiera interactuar con materia normal de una manera no gravitacional. Abrir la puerta a ese tipo de interacciones tendría efectos posiblemente apreciables en la evolución del Universo, y es precisamente en esto donde enfocan sus esfuerzos.

Los autores crean un modelo a partir de la hipótesis de que la energía oscura puede interactuar con la materia normal. Cabe mencionar que esto ya se había intentado anteriormente, en un artículo de 2020 por dos de los autores. En aquella investigación, encontraron que es imposible detectar la interacción entre energía oscura y materia normal, si existiera. Sin embargo, y como es a menudo el caso en la ciencia, siempre se puede ir más lejos. En el presente artículo, los autores van más allá de la investigación previa, concentrándose en la evolución del Universo en escalas más pequeñas que en el artículo de 2020, casi del tamaño de galaxias. Es un poco curioso que diga que una galaxia puede ser una cosa “pequeña”, pero comparada con el Universo mismo, una galaxia es minúscula.

En esta investigación, los autores llevaron a cabo simulaciones del Universo. En la primera simulación, la materia ordinaria y la energía oscura sólo interactúan gravitacionalmente, es decir, el caso estándar. En las otras, los autores agregan una interacción entre la materia ordinaria y la energía oscura, con diversos valores de la fuerza de la interacción, que por supuesto es desconocido, si existe. Los autores también consideran distintos valores de la ecuación de estado de la energía oscura, esencialmente cambiando cúanta fuerza gravitacional es creada por el espacio vacío. En otras palabras, los autores exploran la fuerza gravitacional y no gravitacional con sus simulaciones.

Usando estas simulaciones, los autores esperan predecir cúan distinto sería el Universo, si tal interacción de verdad existe. Además, los autores tratan de pronosticar si telescopios futuros serán capaces de observar la interacción o no. Recordemos, el trabajo anterior de los autores, en 2020, encontró que era imposible.

El Universo simulado

Los autores encuentran que la interacción entre la materia normal y la energía oscura, de existir, produciría efectos apreciables en la estructura del Universo, siempre y cuando uno mire a escalas lo suficientemente pequeñas, como galaxias. Es por esto que la investigación previa no encuentra una señal observable. Los resultados se pueden ver en la Figura 3 a continuación.

Los autores van más allá y predicen que telescopios futuros como CMB-S4, el Observatorio Simons y DESI serán capaces de detectar la señal en la próxima década, siempre y cuando exista y la interacción sea razonablemente fuerte. Habiendo dicho esto, aún queda muchísimo por hacer, ya que el modelo de los autores no considera procesos astrofísicos en escalas de galaxias. Ejemplos incluyen formación de estrellas y galaxias, supernovas, galaxias con núcleos activos, entre otras cosas. Además, los autores tienen motivos para pensar que la hipotética interacción entre materia ordinaria y energía oscura ha de tener un efecto apreciable en estos procesos, lo que a su vez afectaría las simulaciones y podría cambiar los resultados.

En la ciencia, casi nunca se dá el caso de que una investigación es absolutamente concluyente sin lugar a dudas o extensiones. En otras palabras, ¡no es lo último que escucharemos de este tema!