Andrómeda, la Vía Láctea y el gran error de Einstein

Nuestro Universo se está expandiendo, y esa expansión se está acelerando conforme vemos más hacia el pasado, es decir, conforme vemos más atrás en el tiempo o más lejos en el Universo.

Y esa extraña expansión está siendo impulsada por un fenómeno al que hemos denominado energía oscura, esa misteriosa fuerza que constituye más de dos tercios de todo Universo y es responsable, como dijimos, de su expansión acelerada.

El problema es que la cuantificación y la explicación natural de la energía oscura es un problema de investigación abierto, para el cual se utilizan métodos observacionales, matemáticos y computacionales. Y un trabajo reciente muestra que usar a la Vía Láctea y a la galaxia de Andrómeda, nuestra vecina gigante más cercana y que además está en curso de colisión en cámara lenta con nosotros, podría darnos respuestas sobre esa enigmática fuerza repulsiva.

Einstein tenía razón, ¿o no?

Creemos y sospechamos que la energía oscura puede explicar la constante cosmológica, una famosa cantidad añadida a las ecuaciones de la teoría de relatividad de Albert Einstein. De hecho, él Inicialmente la incluyó como una forma de hacer que sus ecuaciones describieran un universo estático, sin expandirse.

Por supuesto, Einstein descartó la constante cuando los trabajos de Edwin Hubble, George Lamaitre y otros revelaron que el universo, efectivamente, se estaba expandiendo. Einstein se refirió a la introducción de la constante cosmológica como su «mayor error».

Así, todo indicaba que el Universo se había estado expandiendo desde el Big Bang y los científicos pensaban que esta expansión podría ralentizarse debido a la atracción gravitacional de la materia en el universo.

Pero la historia dio un giro a finales de la década de los 90 del siglo pasado cuando descubrimos, gracias a observaciones de supernovas distantes, que esta expansión en realidad ¡se está acelerando! Dicho de otra manera, conforme vemos más lejos en el Universo, o lo que es igual, más atrás en el tiempo, el Universo se expande más y más rápido.

Para explicar la expansión acelerada, se propuso la existencia de la energía oscura (no confundir con la materia oscura), una fuerza misteriosa con propiedades repulsivas. Se cree que la energía oscura contrarresta la fuerza de atracción de la gravedad, alejando a las galaxias unas de otras e impulsando la expansión acelerada.

En resumen: todo lo que podemos ver en nuestro mundo y en los cielos –desde los pequeños insectos hasta las galaxias masivas– constituye sólo el cinco por ciento del Universo observable. El resto es oscuridad: creemos que alrededor del 27% del cosmos está compuesto de materia oscura, la que mantiene unidas a las galaxias y sus estrellas y que funciona a distancias intergalácticas. Y por otro lado, el resto, el 68% de todo, es energía oscura, que separa galaxias, cúmulos de galaxias y al mismo espacio tiempo a escalas mucho mucho más grandes, a escalas cosmológicas.

Así, la constante cosmológica es una forma de representar matemáticamente la energía oscura en las ecuaciones de relatividad general de Einstein. Pero además, se le considera como una densidad de energía que está asociada con el espacio vacío, lo que implica que incluso en ausencia de materia o radiación, el espacio mismo tiene cierta energía que contribuye a la expansión del universo.

Por esto, la constante cosmológica, entendida como la solución a esa energía oscura, se ha mantenido en boga entre la comunidad científica.

Pero la cuestión es cómo investigarla y cuantificarla, porque aquí tenemos al menos dos grandes problemas con la energía oscura: ni sabemos exactamente qué es y ni la hemos detectado directamente.

Por ejemplo, la misión Planck mapeó las pequeñas imperfecciones y falta de uniformidad en el fondo cósmico de microondas (la luz más antigua del universo) para delimitar los parámetros cosmológicos relacionados con la constante cosmológica, como el espectro de potencias del fondo cósmico de microondas.

La precisión de las mediciones del satélite Planck permitió a los científicos imponer severas restricciones a parámetros cosmológicos clave, incluida la constante cosmológica y los datos ayudaron a determinar la fracción de la densidad de energía total del universo asociada con la energía oscura. Con esto limitaron indirectamente el valor de la constante cosmológica en el contexto del modelo ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter).

Pero como ocurre con todas las áreas científicas, es importante realizar mediciones de múltiples formas para probar nuestras teorías desde todos los ángulos.

Bien pues un artículo reciente, que utiliza una galaxia en nuestro patio cósmico, plantea un método novedoso para estudiar la energía oscura.

Un choque inminente

David Benisty, Anne-Christine Davis y Wyn Evans (Universidad de Cambridge) utilizaron pares de galaxias atrapadas en una danza gravitacional para imponer restricciones al valor de la constante cosmológica. Su método se basa en el hecho de que el tejido del espacio-tiempo, desde el espacio entre las estrellas hasta los espacios entre las galaxias, se está expandiendo bajo la influencia de la energía oscura.

Esto significa que dentro de los movimientos orbitales de cualquier par de galaxias unidas gravitacionalmente y de su masa colectiva, está codificada la sutil presión de la energía oscura, que separa las galaxias a medida que la gravedad las acerca.

Benisty y sus colaboradores resolvieron analíticamente el problema de los dos cuerpos que describe las órbitas de la Vía Láctea y su vecina Andrómeda, para explicar la influencia repulsiva de la energía oscura.

A medida que se acerquen, las dos galaxias comenzarán a orbitarse entre sí, muy lentamente. Una sola órbita tardará 20 mil millones de años. Sin embargo, debido a las enormes fuerzas gravitacionales, mucho antes de que se complete una sola órbita, dentro de unos cinco mil millones de años, las dos galaxias comenzarán a fusionarse y a caer una en la otra.

Los investigadores confían que al estudiar la masa colectiva de ambas y sus movimientos, podamos hacer algunas determinaciones sobre la constante cosmológica y la energía oscura.

Los hallazgos del equipo coincidieron con los resultados de la misión Planck, al encontrar un límite superior en el valor de la constante cosmológica igual a 5.44 veces el valor medido por Planck. Este hallazgo, basado en datos actuales, sugiere que la energía oscura podría ejercer una influencia más sustancial de lo que se pensaba anteriormente.

Si bien la restricción no es particularmente estricta, lo científicos anticipan que datos más precisos les permitirán reducirla en el futuro. En particular, las posiciones estelares medidas por el JWST mejorarán las estimaciones de la masa de Andrómeda, que es una de las mayores fuentes de incertidumbre.

Aún con la manga ancha de los resultados, la técnica parece valiosa a la hora de imponer restricciones a modelos de teoría modificada, sobre todo en escalas de millones de años luz. Algo que mejora comparado con trabajo anteriores que se quedan en escalas del tamaño del sistema solar.

El estudio no sólo arroja luz sobre la energía oscura sino que también transforma a nuestro Grupo Local de galaxias, y otros pares de galaxias cuantificables, en un campos de pruebas reales, ofreciendo una nueva frontera para explorar las fuerzas fundamentales que gobiernan la vasta extensión de nuestro Universo.

Este trabajo fue publicado en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Refs.

• A New Way to Constrain Dark Energy
• David Benisty et al 2023 ApJL 953 L2 Constraining Dark Energy from the Local Group Dynamics
• Dark energy could be measured by studying the galaxy next door