La energía oscura es una forma hipotética de energía que ejerce una presión negativa y repulsiva, comportándose como lo contrario de la gravedad. Se ha planteado la hipótesis de que explica las propiedades observacionales de las supernovas de tipo Ia distantes, que muestran que el universo atraviesa un período de expansión acelerado. Al igual que la materia oscura, la energía oscura no se observa directamente, sino que se infiere a partir de las observaciones de las interacciones gravitatorias entre objetos astronómicos.
Crédito: Swinburne
La energía oscura constituye el 72% de la densidad total de masa-energía del universo. El otro contribuyente dominante es la materia oscura, y una pequeña cantidad se debe a los átomos o a la materia bariónica.
En 1998, dos equipos de astrónomos anunciaron que las supernovas distantes de tipo Ia z~1 eran ligeramente más débiles que las predicciones de los modelos de un universo en expansión (aunque en desaceleración). Para ser más débiles, las supernovas deben estar más lejos y esto requiere que la expansión del Universo fuera más lenta en el pasado. Ambos equipos coincidieron en que el universo está atravesando una fase de expansión acelerada. Se invocó la energía oscura para impulsar esta aceleración.
A principios del siglo XX, Albert Einstein había invocado una «constante cosmológica», (normalmente simbolizada por la letra griega lambda, Λ). Se trataba de una energía de vacío del espacio, que mantenía el universo (predicho por sus ecuaciones de campo de la Teoría General de la Relatividad) estático, en lugar de contraerse o expandirse. Proporcionaba una forma de equilibrar la contracción gravitatoria causada por la materia. Una vez que se observó que el universo se expandía, Einstein se apresuró a eliminar su constante cosmológica. Sin embargo, si la energía oscura se describe con algo similar a la constante cosmológica de Einstein, no se limita a equilibrar la gravedad para mantener un universo estático, sino que ejerce una presión negativa que hace que la expansión se acelere.
Se han propuesto otros tipos de energía oscura, incluido un campo cósmico asociado a la inflación y un campo diferente de baja energía denominado «quintaesencia».
Se cree que el universo primitivo también pasó por un período de rápida expansión, llamado inflación. La inflación, que se produjo unos 10-36 segundos después del Big Bang, actuó para suavizar el universo y hacerlo geométricamente plano. Si la densidad del universo es exactamente igual a la densidad crítica, entonces la geometría del universo es plana como una hoja de papel. Para un universo dominado por la materia, la densidad crítica (equivalente a unos 6 protones por m3) se sitúa exactamente entre la densidad necesaria para un universo pesado que acabará colapsando y la densidad necesaria para un universo ligero que se expandirá eternamente. Cuando los astrónomos miden la cantidad de materia y energía en el universo actual, sólo obtienen alrededor de un 30% de lo que se necesita para que el universo sea plano. La adición de la energía oscura al presupuesto de masa-energía hace que el universo sea plano. La versión más simple de la inflación, predice que la densidad del universo está muy cerca de la densidad crítica.
La nave espacial WMAP ha medido la geometría del universo. Si el universo fuera plano, las fluctuaciones del fondo cósmico de microondas más brillantes (o «manchas») tendrían un tamaño de aproximadamente 1 grado. El WMAP ha confirmado este tamaño de las manchas con gran precisión. Ahora sabemos que el universo es plano con sólo un 2% de margen de error.
Crédito: P. Garnavich (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) y el equipo de búsqueda de supernovas de alto z y la NASA
La quintaesencia proviene de los antiguos griegos, que utilizaban el término para describir un misterioso «quinto elemento», además del aire, la tierra, el fuego y el agua. Mientras que la constante cosmológica es una forma específica de energía, una energía del vacío, la quintaesencia es dinámica, evoluciona en el tiempo y es una forma de energía que depende del espacio. Es un campo cuántico con energía cinética y potencial.
Dependiendo de la relación de las dos energías y de la presión que ejerzan, la quintaesencia puede atraer o repeler. Tiene una ecuación de estado (que relaciona su presión p y su densidad ρ) de p = wρ, donde w es igual a la ecuación de estado del componente energético que domina el universo. Si w sufre una transición a menos de -1/3 se inicia una expansión acelerada. Por el contrario, una constante cosmológica es estática, con una densidad de energía fija y w = -1.
Hay varios programas en curso destinados a descubrir más sobre la energía oscura. Uno de estos estudios consiste en la medición de las Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO).
Se han propuesto alternativas a la Energía Oscura. Algunos científicos han propuesto que nuestra galaxia se encuentra dentro de una región de baja densidad causada por el paso de una onda de densidad. El Big Bang puede haber creado esta onda a gran escala en el espacio-tiempo. Cuando esta onda primordial se desplazó por el universo, dejó tras de sí una ondulación de baja densidad de varias decenas de millones de años-luz de diámetro, en la que reside ahora la Galaxia. Aunque es posible, esta diferencia en las propiedades del espacio-tiempo violaría el principio copernicano que establece que el universo, a gran escala, es homogéneo.