epelpad

La energía oscura hace que el universo se acelere

La razón contraintuitiva por la cual la energía oscura hace que el universo se acelere 
Forbes
    
Comenzó con una explosión. . .
El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras


La energía oscura hace que el universo se acelere
El Universo en expansión, lleno de galaxias y estructuras complejas que vemos hoy, surgió de un estado más pequeño, más caliente, denso y uniforme en el pasado. Debe haber alguna forma nueva de energía que impulse la fase actual de expansión acelerada, más allá de la materia conocida y la radiación. Crédito de la imagen: C. Faucher-Giguère, A. Lidz, y L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Por Ethan Siegel, para Forbes Junio 20 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas.



La materia y la energía le dicen al espacio-tiempo cómo curvarse; el espacio-tiempo curvo le dice a la materia y la energía cómo moverse. Es la regla cardinal de la Relatividad General, y se aplica a todo en el Universo, incluido todo el Universo mismo. A fines de la década de 1990, habíamos recopilado suficientes datos de galaxias distantes en el Universo como para concluir que no solo se estaban alejando de nosotros, sino que su recesión se estaba acelerando. La estructura del espacio no solo se estaba expandiendo, sino que la expansión se estaba acelerando.

universo
Una gráfica de la tasa de expansión aparente (eje y) frente a la distancia (eje x) es consistente con un universo que se expandió más rápido en el pasado, pero que todavía se está expandiendo en la actualidad. Esta es una versión moderna de, que se extiende miles de veces más que el trabajo original de Hubble. Tenga en cuenta el hecho de que los puntos no forman una línea recta, lo que indica el cambio de la tasa de expansión en el tiempo. Crédito de la imagen: Ned Wright, basado en los últimos datos de Betoule et al. (2014)

La única explicación era que tenía que haber más en el Universo, en términos de materia y energía, de lo que habíamos concluido previamente. En un universo en expansión, como el que vivimos, no es simplemente la curvatura la que está determinada por la materia y la energía, sino cómo cambia la velocidad de expansión con el tiempo. Los componentes del Universo que conocíamos antes de hace 20 años eran materia normal, materia oscura, neutrinos y radiación. El Universo puede expandirse muy bien con aquellos, pero las galaxias distantes solo deberían disminuir la velocidad.


La observación de la aceleración significaba que había algo más allí y que no solo estaba presente; era dominante.

energia oscura
La curvatura del espacio, inducida por los planetas y el Sol en nuestro Sistema Solar, debe tenerse en cuenta para cualquier observación que realice una nave espacial u otro observatorio. Los efectos de la Relatividad General, incluso los sutiles, no pueden ser ignorados. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech, para la misión Cassini

Físicamente, lo que sucede en la Relatividad General es que el tejido del espacio se curva de manera positiva o negativa en respuesta a la materia que se aglomera y se aglomera en su interior. Un planeta como la Tierra o una estrella como nuestro Sol causará que la estructura del espacio se combe, mientras que un objeto más denso y más masivo hará que el espacio se curve más severamente. Si todo lo que tienes en tu Universo es un grupo de materia, esta descripción será suficiente.

Por otro lado, si hay muchas masas en el Universo, distribuidas aproximadamente de manera uniforme a lo largo de todo el espacio, todo el espacio-tiempo siente un efecto gravitacional global. Si el Universo no se estuviera expandiendo, la gravedad haría colapsar todo a un solo punto. El hecho de que el Universo no haya hecho eso nos permite concluir, inmediatamente, que algo ha impedido ese colapso. O bien algo contrarresta la gravedad, o el Universo se está expandiendo.

relatividad general
Existe un gran conjunto de evidencia científica que respalda la imagen del Universo en expansión y el Big Bang. La pequeña cantidad de parámetros de entrada y la gran cantidad de éxitos y predicciones observacionales que se han verificado posteriormente se encuentran entre los sellos de una teoría científica exitosa. La ecuación de Friedmann lo describe todo. Crédito de la imagen: NASA / GSFC

Aquí es de donde vino la idea general del Big Bang. Si vemos la materia en cantidades aproximadamente iguales en todas partes, en todas las direcciones y en distancias cercanas, intermedias y lejanas, sabemos que debe haber una fuerza gravitacional increíblemente grande que intente reunirlas nuevamente. Dado que el Universo no ha vuelto a caer aún (y no está en el proceso de volver a colapsar), eso deja solo dos opciones: la gravedad es incorrecta, o el Universo se está expandiendo.

Dado que la Relatividad General ha superado todas las pruebas que hemos lanzado, es difícil de afirmar que esté mal. Especialmente porque, con un Universo lleno de materia y radiación, todo lo que necesitas es una expansión inicial para tener un Universo que sea, hoy:

  • en expansión,
  • enfriamiento,
  • haciéndose menos denso,
  • lleno de luz roja,
  • y tenía un pasado caliente y denso.


Un Universo que nació caliente, denso y en expansión, pero que estaba lleno de materia y energía, se parecería mucho a nuestro universo hoy en día.

Expansion acelerada
Los destinos esperados del Universo (las tres ilustraciones superiores) corresponden a un Universo donde la materia y la energía luchan contra la tasa de expansión inicial. En nuestro Universo observado, una aceleración cósmica es causada por algún tipo de energía oscura, que hasta ahora no ha sido explicada. Todos estos universos se rigen por las ecuaciones de Friedmann. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond the Galaxy

La expansión comienza rápidamente, y la gravedad funciona para unir las cosas. Te hace pensar que hay tres posibilidades de cómo evolucionará el Universo a lo largo del tiempo:

1. La gravedad gana: el Universo se expande rápidamente para empezar, pero hay suficiente gravedad para volver a unir las cosas, eventualmente. La expansión alcanza un máximo, se detiene y gira para conducir a un nuevo proceso.
2. Empate de la gravedad y la expansión: la expansión inicial y la gravedad se contrarrestan entre sí exactamente. Con un protón más en el Universo, volvería a colapsar, pero ese protón no está allí. En cambio, la tasa de expansión asintótica a cero y las galaxias distantes simplemente retroceden cada vez más lentamente.
3. La expansión gana: la rápida expansión es contrarrestada por la gravedad, pero no lo suficiente. Con el tiempo, las galaxias continúan alejándose unas de otras, y aunque la gravedad ralentiza la expansión, nunca se detiene.

Pero lo que realmente observamos es un cuarto. Vemos que el Universo parecía estar en ese camino "crítico" durante los primeros miles de millones de años, y de repente, las galaxias distantes comenzaron a retroceder más rápidamente el uno del otro. Teóricamente, hay una razón convincente de por qué esto podría ser.

La energía oscura hace que el universo se acelere
Una foto mía en el hipermuro de la Sociedad Astronómica Americana en 2017, junto con la primera ecuación de Friedmann a la derecha. Crédito de la imagen: Perimeter Institute / Harley Thronson

Hay una ecuación muy simple (bueno, para la Relatividad) que gobierna cómo se expande el Universo: la primera ecuación de Friedmann. Aunque podría parecer complicado, los términos en la ecuación tienen significados del mundo real que son fáciles de entender.

universo
La primera ecuación de Friedmann, como se escribe convencionalmente hoy (en notación moderna), donde el lado izquierdo detalla la tasa de expansión del Hubble y la evolución del espaciotiempo, y el lado derecho incluye todas las diferentes formas de materia y energía, junto con la curvatura espacial. Crédito de la imagen: LaTeX / dominio público

En el lado izquierdo, tiene el equivalente de la tasa de expansión (al cuadrado), o lo que coloquialmente se conoce como la constante de Hubble. (No es realmente una constante, ya que puede cambiar a medida que el Universo se expande o se contrae con el tiempo). Te dice cómo la estructura del Universo se expande o contrae en función del tiempo.

En el lado derecho está literalmente todo lo demás. Está toda la materia, la radiación y cualquier otra forma de energía que compone el Universo. Existe la curvatura intrínseca al espacio en sí mismo, dependiendo de si el Universo está cerrado (curvado positivamente), abierto (curvado negativamente) o plano (no curvo). Y también está el término "Λ": una constante cosmológica, que puede ser una forma de energía o puede ser una propiedad intrínseca del espacio.

energia oscura
Cómo la materia (arriba), la radiación (medio) y una constante cosmológica (abajo) evolucionan con el tiempo en un Universo en expansión. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy

Estos dos lados deben ser iguales. Pensamos que la expansión del Universo se ralentizaría porque, a medida que el Universo se expande, la densidad de energía (en el lado derecho) disminuye y, por lo tanto, la tasa de expansión del espacio debe disminuir. Pero si tienes una constante cosmológica u otra forma de energía oscura, la densidad de energía puede no caer en absoluto. Puede permanecer constante o incluso aumentar, y eso significa que la tasa de expansión también se mantendrá constante o aumentará.

De cualquier manera, significaría que una galaxia distante parecería acelerar a medida que se aleje de nosotros. La energía oscura no hace que el Universo se acelere debido a una presión de empuje hacia afuera o una fuerza antigravitacional; hace que el Universo se acelere debido a la forma en que su densidad de energía cambia (o, más exactamente, no cambia) a medida que el Universo continúa expandiéndose.

relatividad general
Los diferentes destinos posibles del Universo, con nuestro destino real y acelerado que se muestra a la derecha. Después de pasar suficiente tiempo, la aceleración dejará a cada estructura galáctica o supergaláctica atada completamente aislada en el Universo, ya que todas las demás estructuras se alejarán irrevocablemente. Crédito de la imagen: NASA y ESA

A medida que el Universo se expande, se crea más espacio. Como la energía oscura es una forma de energía inherente al espacio, a medida que hacemos más espacio, la densidad de energía no disminuye. Esto es fundamentalmente diferente de la materia normal, la materia oscura, los neutrinos, la radiación y cualquier otra cosa que sepamos. Y, por lo tanto, afecta la tasa de expansión de una manera diferente a todos estos otros tipos de materia y energía.

Expansion acelerada
Este diagrama muestra, a escala, cómo el espacio-tiempo evoluciona / se expande en incrementos de tiempo iguales si su Universo está dominado por la materia, la radiación o la energía inherente al espacio mismo, correspondiendo este último a nuestro Universo dominado por la energía oscura. Crédito de la imagen: E. Siegel

En pocas palabras, una nueva forma de energía puede afectar la tasa de expansión del Universo de una nueva manera. Todo depende de cómo la densidad de energía cambia con el tiempo. Mientras que la materia y la radiación se vuelven menos densas a medida que el Universo se expande, el espacio sigue siendo espacio, y todavía tiene la misma densidad de energía en todas partes. Lo único que ha cambiado es nuestra suposición automática de que hicimos: esa energía debería ser cero. Bueno, el Universo acelerado nos dice que no es cero. El gran desafío al que se enfrentan los astrofísicos ahora es descubrir por qué tiene el valor que tiene. En ese frente, la energía oscura sigue siendo el mayor misterio en el Universo.




El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.

With atiny help from Google

2 comentarios - La energía oscura hace que el universo se acelere

arteipal
No entendí ni verga pero me pareció re interesante.. Gracias
betelijah
Leelo suave ... despacio y entenderás....seguro... no le pares bolas a las ecuaciones que al fin y al cabo son una aproximación a la realidad... las matemáticas que rigen el Universo son muchísimo más complejas que las nuestras...
MALZZZZ
Empezamos mal capo, el universo no empezó con una explosión, saludos.