NUEVA HIPÓTESIS SOBRE LA ENERGÍA OSCURA (Luis Dévora)

La teoría de la relatividad cambió nuestra idea de entender el universo. En esta teoría el tiempo no estaba separado de las tres dimensiones espaciales, estableciendo con ello un tejido continuo espacio-temporal donde se desarrollan todos los eventos físicos del Universo.

El tejido espacio-tiempo propuesto en la teoría de la relatividad es deformable por la acción de los cuerpos celestes. La deformación depende directamente de la masa de los objetos. Esa deformación podemos entenderla como un cambio del tamaño o forma del tejido espacio-temporal debido a la tensión o fuerza por unidad de área producida por la masa de los cuerpos. Pero también podemos entenderla como un proceso en el que la energía interna del cuerpo acumula energía potencial elástica. Esa energía potencial elástica es la energía potencial almacenada como consecuencia de la deformación del tejido espacio-temporal que depende de su estructura y de la distancia estirada.

Para entender este concepto se suele utilizar la analogía de colocar una bola pesada sobre una malla elástica. Debido a su masa la malla se deforma en forma de depresión.Si hacemos rodar pelotas más ligeras sobre la malla, podremos observar cómo sus trayectorias son desviadas al interaccionar con la zona hundida por la bola más grande. Siguiendo con esta analogía, el tejido espacio-temporal planteado por Einstein sería esa malla, la pelota grande sería un objeto estelar con gran masa, como las estrellas, y las pelotas pequeñas representarían a los objetos con menor masa, como los planetas.

Un espacio-tiempo curvo puede ser descrito como una variedad lorentziana cuyo tensor de curvatura de Ricci es relacionable con las ecuaciones de campo de Einstein para un tensor de energía-impulso físicamente razonable. En la teoría de la relatividad en todo punto del espacio-tiempo existe un observador de tal forma que en ese punto existe un tensor métrico definido con diferentes componentes. Si existe un campo gravitatorio, el tensor es diferente de un punto a otro y tendrá como tensor de curvatura asociado a la métrica un valor que no será nulo. La deformación podemos definirla como el cambio de longitud por unidad de longitud, donde tenemos una la longitud inicial de la zona en estudio y una longitud final o deformada.

Einstein en la teoría de la relatividad general describe, en forma de ecuación, cómo la distribución de materia y energía determina la geometría del espacio-tiempo. En palabras del gran John A. Wheeler, “la ecuación de Einstein señala que la materia le dice al espacio-tiempo cómo debe curvarse y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse”. La forma moderna de escribir esta ecuación es:

Gμν  Tensor de curvatura de Einstein.

R       Escalar de curvatura de Ricci.

Rμν   Tensor de curvatura de Ricci.

Λ        Constante cosmológica.

G        Constante de la gravitación universal.

c         Velocidad de la luz.

π        Número π.

Tμν    Tensor momento-energía.

Dentro del contexto de la teoría de la relatividad la curvatura del espacio-tiempo viene dada por el tensor de curvatura de Einstein. Las ecuaciones relacionan el tensor energía impulso con el tensor de curvatura de Ricci y las componentes del propio tensor métrico.

Todos los eventos del universo que intentamos describir se desarrollan en ese tejido espacio-temporal. A pesar de su importancia, todavía desconocemos muchas de sus características principales ,que a la larga puede llevarnos a interpretaciones erróneas de lo que sucede en el universo. Uno de los problemas de la teoría de la relatividad de Einstein es la incapacidad de establecer una descripción adecuada de las singularidades, como la que describe un agujero negro. De hecho, la teoría general de la relatividad sólo hace una descripción adecuada de la gravitación y espacio-tiempo a escalas mayores que la longitud de Planck. Desde el punto de vista matemático, adoptar una definición de singularidad entraña algunos problemas,  pues si consideramos los puntos en que el tensor métrico no está definido, estaremos hablando de puntos que no pertenecen al espacio-tiempo.

Otro de los problemas, entendiendo el espacio-tiempo de n = 4 dimensiones son las  ecuaciones del campo gravitatorio que sólo determinan el tensor de Ricci y por ello  las ecuaciones de Einstein para el campo gravitatorio no determinan completamente el tensor de curvatura total. También hay que tener en cuenta el desconocimiento actual sobre la estructura microscópica del tejido espacio-tiempo, muy importante para conocer qué tipo de deformación de tejido espacio-temporal son posibles. Por ejemplo podemos encontrar ciertas violaciones de conservación de energía en algunos enfoques de la gravedad cuántica para un espacio-tiempo  granular debido al límite fundamental de la longitud de Planck. Ese desconocimiento puede llevarnos interpretaciones inadecuadas o apreciar a algunas de las características y eventos del universo como enigmáticos y un claro ejemplo podría ser la energía oscura. Sin conocer la estructura y características del tejido espacio-temporal afirmamos que la deformación recupera su forma inicial una vez desaparecida la fuerza ejercida en ese tejido por los cuerpos celestes. Pero la deformación del tejido espacio-temporal puede ser diferente o incluso se podría crear espacio.

Podríamos encontrar 2 tipos de tejido espacio-temporal.

Elástica:

La deformación  del tejido espacio- temporal depende proporcionalmente de la masa del objeto. Una vez que desaparece la tensión del cuerpo, el tejido espacio-temporal vuelve a su forma original y no queda deformado. Esta es la idea actual que tenemos del tejido espacio-tiempo de nuestro universo. En este caso podemos encontrar además dos alternativas diferentes a la establecida. La primera que exista un límite de elasticidad del tejido espacio temporal y una vez se supere cierto punto no pueda tener más deformación. La otra alternativa es que una vez pasado cierto límite, la deformación no sea lineal  y por lo tanto la deformación producida sea menor que la producida antes de superar ese límite.

Plástica

Entendemos como plástica aquella que al retirar tensión de un cuerpo queda una deformación remanente. En el tejido espacio-temporal plástico, cuando la tensión aplicada es mayor que el límite elástico, al retirar la tensión provocada por los cuerpos celestes con gran masa, queda como remanente una deformación en el tejido espacio-temporal. A este tipo de deformación que no desaparece al retirar la tensión podríamos llamarla deformación plástica .Por lo tanto a partir de ciertos valores la deformación puede producir transformaciones de ese tejido que deja como remanente la creación de nuevo tejido espacio-tiempo. Un ejemplo ilustrativo sería entender ese tejido espacio-temporal como si fuera un film transparente parecido al que utilizamos para envolver los alimentos. Si estiramos en ese film y colocamos una bola muy pesada su estructura se deformará, como pasaba con el ejemplo anterior de la malla elástica. La diferencia radica en que en la malla una vez desaparecida la tensión ejercida por la bola, la malla recupera su forma inicial, pero en el film la deformación provoca que su forma inicial no sea la misma, debido a que queda una deformación remanente provocada por la masa de la bola. En este caso el tamaño del film final será mayor que el tamaño del film inicial utilizado.

HIPÓTESIS DE LA ENERGÍA OSCURA EN UN TEJIDO ESPACIO-TIEMPO PLÁSTICO. (Hipótesis de Luis Dévora)

El universo está formado por un 72% de energía oscura un 23% de materia oscura y tan solo un 5% de materia ordinaria. Actualmente conocemos menos del 5% de la composición del universo. Conocer que es la energía oscura, sería de gran importancia porque nos permitiría comprender las ¾ partes de la composición del universo. Su composición no tiene nada ver con la materia oscura, no está hecha de partículas, es algo completamente distinto.

La energía oscura es una fuerza hasta ahora desconocida que está provocando que las galaxias se separen unas de otras a un ritmo acelerado. Todas las galaxias lejanas están alejándose aparentemente de la Vía Láctea, mostrando un desplazamiento al rojo en el espectro luminoso.Se descubrió a finales del siglo pasado por dos equipos de astrónomos independientes analizando supernovas Ia. Según la teoría del Big Bang nuestro Universo se estaba expandiendo; esto fue comprobado por Hubble en los años 20 del siglo pasado al observar que todas las galaxias, excepto algunas próximas a la nuestra, mostraban una desviación hacia el rojo en su espectro de luz y por lo tanto se estaban separando de nosotros. La magnitud de su desviación era directamente proporcional a la distancia en que se encontraban, es decir, cuanto más lejana estaba una galaxia con más velocidad se separa de nosotros, variando su valor con el tiempo. Se pensaba que esta expansión estaba disminuyendo debido al “frenado” que ejercía la gravedad de la materia que contiene nuestro Universo. En modo de ejemplo, si lanzáramos una pelota hacia arriba, el esférico iría perdiendo velocidad progresivamente debido a la fuerza de la gravedad, terminaría deteniéndose y cayendo finalmente al punto de partida. Los científicos descubrieron que nuestro universo se estaba acelerando, la materia no estaba frenándose sino todo lo contrario, existiendo por tanto una fuerza desconocida que estaba acelerando la expansión, la energía oscura. Considerar su existencia es la manera más frecuente de explicar las observaciones recientes de un universo con expansión acelerada. Al igual que en el pasado queríamos saber cómo cambiaba la velocidad del universo, conocer que es la energía oscura nos permitirá saber cómo cambia la aceleración.

Podemos encontrar varias características de la energía oscura:

• Es oscura porque no se ve y tampoco se ha detectado con los métodos actuales.
• La energía oscura no se diluye, cuanto más grande se hace el universo mas hay.
• La naturaleza exacta es una incógnita y no se conoce su interacción con ninguna de las fuerzas fundamentales excepto con la gravedad.
• Curiosamente la densidad de energía oscura es del mismo orden de magnitud que la densidad de materia.

La energía oscura entraña muchos problemas dentro del contexto de la teoría de la relatividad con un tejido espacio-temporal elástico, pero tendría una explicación con un tejido espacio-temporal plástico.

En  un tejido espacio-temporal plástico tenemos dos factores que influyen directamente en la creación de nuevo espacio-tiempo: los agujeros negros y el propio desplazamiento de estos.

 

Los objetos muy masivos, como los agujeros negros,  pueden provocar transformaciones de ese tejido, dejando como remanente la creación de nuevo tejido espacio-temporal. Pero no solo la propia masa de los agujeros negros puede deformar el espacio-tiempo, también el propio desplazamiento que hacen los agujeros negros por el espacio pueden rasgar ese tejido espacio-temporal plástico para crear tambien nuevo espacio-tiempo. Por lo tanto el área del nuevo espacio-tiempo creado en el universo tiene una relación directa con el radio de Schwarzschild y con la velocidad de desplazamiento de los agujeros negros. No obstante el área del espacio creado no tiene que tener exactamente el radio de Schwarzschild, todo depende de las características cuánticas del tejido espacio-temporal plástico, que todavía desconocemos. Lo que se quiere decir es que el límite máximo del área del espacio creado nunca podrá superar el radio de Schwarzschild.

Otro factor importante a tener en cuenta es la ley de Hubble que mide la inercia de la expansión del universo y que permite en un tejido espacio-temporal plástico, estirar la deformación remanente producida por los agujeros negros. Este factor es importante porque en cada momento de la historia del universo hay una proporcionalidad entre el corrimiento al rojo y distancia. Esta expansión se produce actualmente a un ritmo determinado, el cual se mide por medio de la constante de Hubble, aunque realmente no es una constante sino un parámetro que varía lentamente con el tiempo. Ignorando los movimientos provocados por la gravedad, una galaxia situada a una distancia de 3,26 millones de años luz se aleja de nosotros a una velocidad aproximada de unos 70 km/s.

En un tejido espacio-temporal plástico existe un valor límite que podríamos llamar limite McG (limite espacio-temporal creado-gravedad) que está relacionado con la distancia y el tiempo. Una vez superado cierto límite, el espacio creado supera a la fuerza de la gravedad provocando que las distancias de las galaxias aumenten. Ahora mismo se está generando nuevo espacio, en concreto a cada segundo que pasa, un kilómetro se amplía aproximadamente el tamaño de un protón. Puede parecer muy poco pero con el tiempo acaba notándose. ¿Qué quiere decir esto? Los agujeros negros y el movimiento de estos crean con el tiempo nuevo espacio. Las estructuras locales, como los cúmulos de galaxias y supercúmulos cercanos a nuestra galaxia están todavía unidas gravitacionalmente porque no han superado todavía este límite. El espacio creado aumenta con en el tiempo y la distancia pero dentro de estos cúmulos y supercúmulos, todavía no supera  a la fuerza gravitatoria. En las estructuras lejanas la cosa cambia. En los cúmulos y supercúmulos lejanos, los agujeros negros existentes en cada una de esas galaxias, también generan nuevo espacio-tiempo y a esto hay que añadir el creado por los cúmulos y supercúmulos al que pertenece nuestra galaxia y la de otros cúmulos y supercumulos del universo. Por lo tanto a grandes distancias y con un aumento de tiempo el espacio creado supera a la fuerza de la gravedad, lo que provoca una expansión acelerada.

Un dato importante a tener en cuenta es el número de agujeros negros existentes en cada una de las galaxias, al ser los responsables de la creación de nuevo espacio. A nivel local, dentro de una misma galaxia, el número de agujeros negros es muy pequeño en comparación con el número total existentes en el universo. Por lo tanto dentro de una misma galaxia los efectos de la creación de espacio no son perceptibles y no supera a la fuerza de la gravedad. Pero la suma de todos los agujeros negros de cada una de las miles de millones de galaxias existentes en el universo hace que la creación de espacio tenga efectos evidentes.

Esta relación distancia-tiempo-espacio creado concuerda con el surgimiento de la energía oscura en el universo. En el pasado había menos energía oscura. En los primeros millones de años la expansión del universo se frenaba debido a la gravedad, pero hace unos 9000 millones de años la energía oscura sobrepasó al efecto de la fuerza gravitatoria de la materia. Esta expansión acelerada empezó a ser importante hace unos 5000 millones de años. Siguiendo con la hipótesis del tejido espacio-tiempo plástico, el número de agujeros negros ha ido aumentado con el tiempo y por lo tanto la creación de espacio también ha ido aumentando. En los primeros 5000 millones de años el número de agujeros negros era mucho menor y la fuerza gravitatoria superaba al nuevo espacio creado por los agujeros negros. Con el aumento del número de agujeros negros con el tiempo se incrementó también el de espacio creado, perdiendo el dominio de la gravedad  con la distancia. Por lo tanto el límite McG se superó para galaxias distantes.

¿Cuál será entonces el final del Universo?

Se estima que los agujeros negros estelares con menos de 10 masas solares se evaporarán en 10⁷⁰ años y los agujeros negros supermasivos en 10⁸⁵ años. Por lo tanto, el futuro del universo depende del número actual de agujeros negros existentes y de los que quedan por nacer. Según aumenta el tiempo aumenta el espacio creado y por lo tanto el limite McG será sobrepasado también por galaxias a menor distancias.

Estos datos podrían ser comprobados con un estudio de la formación de estructuras del universo. La expansión del universo afecta al tamaño de las estructuras que se pueden formar. Cartografiando la materia del universo uno tiene la huella de los procesos que han ocurrido a lo largo de la historia. A nivel local se podría comprobar con agujeros negros orbitando casi juntos para analizar la posible la creación de nuevo espacio.