Un modelo del universo explica su expansión acelerada sin necesidad de energía oscura

El modelo da explicaciones más sencillas a los fenómenos cósmicos observados

La expansión acelerada del universo no necesitaría de energía oscura, según un estudio publicado hoy en la revista especializada Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters. El autor del trabajo es Enrique Gaztañaga, investigador del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC). Su investigación, de carácter teórico, muestra que la expansión cósmica se puede derivar simplemente de que nuestro universo tiene una masa muy grande, pero finita.

Un día como hoy de 1879 nacía Albert Einstein. Uno de los mayores iconos de la ciencia, es conocido sobre todo por la teoría de la Relatividad, que revolucionó nuestra forma de entender el espacio y el tiempo, así como la materia y la energía. Aplicando sus ecuaciones al universo, llegó a la conclusión de que debía introducir un nuevo término, la llamada constante cosmológica, para evitar que el universo colapsara fruto de la gravedad que los astros se ejercen mutuamente. El significado de esta constante, sin embargo, parecía difícil de interpretar. En efecto, ¿qué es lo que evita que el universo se contraiga sobre sí mismo?

Desde entonces, los intentos clarificadores no han cesado, y no es para menos. Los astrónomos descubrieron no solo que el universo no iba a colapsar, sino que de hecho se expande de forma acelerada. La energía oscura ha sido el concepto al que los cosmólogos han recurrido para explicar esta cuestión: tiene que haber una abundante energía que repela a las galaxias entre ellas. No obstante, cómo se origina esta energía sigue siendo un misterio.

En este contexto, el investigador del IEEC en el ICE-CSIC Enrique Gaztañaga ha presentado un modelo cosmológico que prescinde por completo de la energía oscura o de la constante cosmológica de Einstein. «El modelo actual, la teoría del Big Bang, propone que nuestro universo tiene una extensión infinita (y por lo tanto una masa infinita). Sin embargo, por útiles que resulten, los infinitos son conceptos matemáticos abstractos que nunca se observan en física. Si consideramos que el universo tiene una masa finita el problema de la energía oscura desaparece», explica Gaztañaga.

El investigador lleva unos cuatro años trabajando en el modelo de un universo en un agujero negro (Black Hole Universe, BHU). Normalmente imaginamos los agujeros negros como masas muy compactas con gran capacidad de atracción gravitatoria, de modo que ni siquiera la luz puede escapar de ellos —de ahí su nombre. No obstante, el aspecto clave que los define es este último: que tengan una frontera, llamada horizonte de eventos o radio gravitatorio, de la que nada pueda escapar. Que la masa en su interior sea más o menos compacta, dependerá de la densidad de cada agujero negro.

«Imagina una goma de caucho que se estira (al expandirse el universo). Como es elástica, aparece una fuerza que se opone a su estiramiento, más grande cuanto más la estiras. La energía oscura (o la constante cosmológica) sería una medida de esta elasticidad», comenta el investigador. Pero la goma tiene un límite de estiramiento y eso produce lo que se conoce como un efecto de borde. Esto es debido a una propiedad fundamental en la teoría de la Relatividad de Einstein: ningún evento puede suceder (en este caso, estirarse) a una velocidad superior a la de la luz. «Esto indica que estamos dentro de un horizonte de eventos (o radio gravitatorio) debido a la masa finita de nuestro universo, que produce exactamente el mismo efecto de borde que la energía oscura o la constante cosmológica. Es por ello que son innecesarias», explica Gaztañaga.

La cosmología es un terreno proclive para teorías o hipótesis difíciles de validar. Sin embargo, la virtud de este modelo es que da explicaciones más sencillas a fenómenos ya observados. «Existen otros modelos cosmológicos que prescinden de la energía oscura, o de otros elementos problemáticos (como la llamada materia oscura), pero se basan en la modificación de las leyes de la física. El modelo que propongo tiene la ventaja de que usa leyes ya conocidas, pero esto no nos exime de tratar de buscar más pruebas de que esta es la interpretación correcta de la aceleración cósmica», aclara el experto.

El modelo permite estimar algunas cantidades que pueden compararse con observaciones realizadas de nuestro universo. Por ejemplo, podemos obtener un valor de la masa del universo, que se sitúa en 6 · 10^22 masas solares (un 6 seguido de 22 ceros). Este es un número razonable teniendo en cuenta las estrellas y galaxias que hay en nuestro universo. Obtenemos también que la densidad del universo medida es mayor que la densidad de un agujero negro con la misma masa. Esto implica que toda la masa está contenida dentro del radio gravitatorio, lo que concuerda con la idea de que estamos en un agujero negro del que nada puede escapar. Por otra parte, también se puede calcular el tiempo que tardaría el universo en expandirse hasta el límite o en colapsar sobre sí mismo. En el modelo, esto son 14.000 millones de años. Esta cifra coincide aproximadamente con la edad medida de las galaxias más antiguas.

«El modelo podría cambiar la idea que tenemos actualmente sobre el origen del universo o la evolución de las galaxias, por ejemplo. Sin ir más lejos, si nuestro universo está en un agujero negro, ¿quién nos dice que no pueda haber otros universos en otros agujeros negros? En el fondo, esto es parte de la Revolución Copernicana: no estamos en un lugar privilegiado del cosmos», concluye Gaztañaga.

Nota de prensa preparada en colaboración con la oficina de comunicación del Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC).

Imagen Principal

Leyenda: Nuestro universo podría haberse formado como las primeras estrellas: colapsando y explotando en una supernova (un Big Bang). La imagen de la izquierda muestra la nebulosa del Cangrejo, remanente de una supernova. Podría ser un pequeño análogo de nuestro universo actual, representado por una simulación (MICE) en la imagen de la derecha.
 
Créditos: NASA/ESA (izquierda) y MICE (derecha)

Enlaces

– IEEC
– ICE-CSIC
– MICE simulation
– Dark Cosmos (blog de Enrique Gaztañaga)

Más información

Esta investigación se presenta en un artículo titulado «The Mass of Our Observable Universe», de Enrique Gaztañaga, que aparecerá en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters el 14 de marzo de 2023.

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