Cómo es posible el universo con materia oscura y sin materia oscura

A día de hoy, el modelo más aceptado en cosmología para explicar el universo recibe el nombre de ΛCDM (siglas que corresponden a lambda o “no exactamente constante cosmológica” Cold Dark Matter), en el que la materia y la energía oscura son indispensables. Sin embargo, cada vez cobran más fuerza modelos cosmológicos de un universo posible sin contar con tanta “oscuridad”.

El universo clásico

ΛCDM es el modelo estándar y el más conocido. Da una solución bastante aproximada de la existencia de todo lo que observamos experimentalmente. Explica el fondo cósmico de microondas, una forma de radiación electromagnética que se ha encontrado experimentalmente y que se considera una de las pruebas principales de que hubo un Big Bang.

El modelo también explica la distribución de las galaxias y cúmulos de galaxias, y ofrece una buena aproximación de las abundancias de hidrógeno, helio y litio que se observan en el cosmos.

El modelo estándar basa parte de su desarrollo en la existencia de materia oscura que es, no obstante, materia. Esto significa que tendría que estar formada por átomos/partículas no normales , que aún no se han encontrado a pesar de que se están realizando muchos experimentos para detectarlas. Hasta ahora, ninguno ha tenido éxito. Este no resultado nos lleva a la duda de su existencia.

Después del Big Bang

Según el modelo ΛCDM, tras el Big Bang, el universo sufrió una expansión: la inflación. La densidad del sistema fluctuó, y esto impulsó la expansión de una mezcla de fotones y partículas conviviendo en forma de plasma. Se inició así la expansión del universo.

Estas fluctuaciones produjeron cambios en la densidad de la materia y la radiación llegando a un punto en el que los electrones y los bariones formaron los átomos. El hidrógeno fue el primero en formarse.

Pero hay un momento en el que el plasma se volvió neutro y las perturbaciones no se propagaron. Solo permanecieron fluctuaciones (las oscilaciones acústicas bariónicas, BAO) generadas, según el modelo, principalmente por fotones, bariones, energía oscura y materia oscura.

Estas oscilaciones han sido observadas experimentalmente y se consideran como fósiles de las primeras ondas del universo que quedaron impresas en el fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés).

La edad oscura

En este estadio el universo era inobservable en la mayor parte del espectro electromagnético; estaba en la denominada edad oscura. Durante esta era, en regiones excesivamente densas, comienza el colapso gravitacional, lo que da lugar a la formación de las primeras fuentes de radiación, como las estrellas. Todo continúa creciendo y fusionándose bajo la influencia de la gravedad, formando una vasta red cósmica de densidad de algo que no sabemos qué es, y no es posible observar: se trata de la llamada materia oscura.

A medida que el universo continúa expandiéndose con el tiempo, la presión negativa asociada a la energía oscura (en el modelo ΛCDM) domina, oponiéndose, cada vez más, a las fuerzas gravitacionales. De este modo, con el impulso de la energía oscura, la expansión del universo se acelera.

Todo parece cuadrar en este modelo que se sustenta en la existencia de la materia y la energía oscura. Sin embargo, y cada vez con más tensión científica, ambas se están poniendo en cuestión. Existen modelos que explican el universo sin contar con ellas.

El modelo alternativo

Como alternativa se ha propuesto el modelo híbrido bautizado como CCC+TL (CCC: constantes de acoplamiento covariables; TL: luz cansada). Este modelo, liderado por Rajendra Gupta, profesor de física e investigador de la Universidad de Ottawa (Canadá), niega por completo la existencia de materia oscura. Los resultados de las investigaciones se han publicado en Astrophysical Journal.

En este modelo la Λ (“no exactamente constante cosmológica”), responsable de que el universo esté acelerando su expansión y asociada con la energía oscura, se reemplaza por un conjunto de constantes de acoplamiento que son “covariables”. Esto significa que pueden variar con el tiempo y entre diferentes regiones del espacio, es decir, dependen de las condiciones del entorno.

En consecuencia, la aceleración de la expansión del universo no se debe a la denominada “energía oscura” sino al cambio que las constantes de acoplamiento sufren con el tiempo y el espacio. Es una explicación mucho más dinámica y adaptable.

Añadamos la luz cansada

El modelo, además, se combina con luz cansada. Lo postuló Einstein: por razones no especificadas, la luz puede perder energía en proporción a la distancia recorrida (de ahí lo de luz cansada).

Esta idea se ha propuesto para explicar el corrimiento al rojo de la luz de las galaxias distantes. Los fotones sufren una pérdida gradual de energía a medida que viajan a través del cosmos. Así se puede reproducir la ley de distancia del corrimiento al rojo, la conocida ley de Hubble.

Este modelo, al igual que el estándar, también explica las oscilaciones acústicas bariónicas a gran escala, el tamaño de las galaxias y la distribución angular del horizonte debida al BAO e impreso en las microondas cósmicas.

Sin energía oscura ni materia oscura

El modelo CCC+TL sugiere que las leyes de la naturaleza, las cuales consideramos constantes, pueden en realidad cambiar con el tiempo y en diferentes lugares del universo. Además, propone que el cambio en el color de la luz de las galaxias distantes podría explicarse porque la luz pierde energía durante su viaje, en lugar de que el espacio se esté expandiendo. No necesitando de una energía oscura.

En el modelo estándar, la materia oscura es necesaria para mantener unidas las masas, permitiendo la formación y distribución de galaxias y cúmulos de galaxias en el universo observable y no deshaciéndolas con la expansión. Sin embargo, el modelo CCC+TL elimina la necesidad de invocar a la materia oscura para explicar las observaciones cosmológicas, ya que introduce correcciones o modificaciones a la gravedad en ciertas escalas, en lugar de la teoría estándar de la gravedad basada en la relatividad general de Einstein.

Estas modificaciones explican los fenómenos que normalmente se atribuyen a la materia oscura, como la rotación de las galaxias y la distribución de las estructuras a gran escala del universo.

La edad del universo como prueba

Mientras que el modelo estándar, ΛCDM, estima una edad del universo de 13,8 Ga, el modelo CCC+TL la sitúa en 26,7 Ga. Prácticamente el doble.

Las recientes observaciones del telescopio espacial James Webb plantean una cuestión fundamental: ¿cómo surgieron las galaxias en el universo primitivo y cómo evolucionaron a un grado comparable al de miles de millones de años?

El modelo CCC+TL responde a estas preguntas: la edad del universo es mayor, lo que implica más tiempo para la formación y evolución de esas galaxias primitivas, cuyas estructuras observadas son similares a las de galaxias más antiguas (“más mayores”).

Las edades que nosotros hemos calculado para los cúmulos globulares se han dado a conocer en American Journal of Astronomy and Astrophysics y conducen a una edad del universo coincidente con la del modelo CCC+TL.

¿Inclinará el satélite Euclid la balanza?

Durante los próximos seis años Euclid, un espectacular experimento de la Agencia Espacial Europea, observará las formas, distancias y movimientos de miles de millones de galaxias en un radio de 10 mil millones de años luz, creando un mapa cósmico 3D. Con sus datos podremos comprobar la existencia de la materia oscura, si la hay. Entre tanto, ¿cuál es el modelo más próximo a la realidad?

El principio democrático de todo modelo teórico es que cualquiera es acertado hasta que los experimentos o las observaciones demuestren lo contrario.

Félix Llorente de Andrés, Investigador, Centro de Astrobiología (INTA-CSIC)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.