Energía oscura – Notas leídas

En cosmología física, energía oscura es una forma de materia o energía que estaría presente en todo el espacio, produciendo una presión que tiende a acelerar la expansión del Universo, provocando una fuerza gravitacional repulsiva. Considerar la existencia de energía oscura es la forma más común de explicar las observaciones recientes de que el Universo parece expandirse a un ritmo rápido. En el Modelo Estándar de cosmología, la energía oscura aporta casi las tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo.

Resumen

[ hide ]

  • 1 Naturaleza de la energía oscura
  • 2 Historia
  • 3 Descubrimiento de la energía oscura
  • 4 Efectos de la energía oscura en el universo
  • 5 fuentes

Naturaleza de la energía oscura

La naturaleza exacta de la energía oscura está sujeta a debate. Se sabe que es muy homogéneo, no muy denso, pero se desconoce su interacción con ninguna de las fuerzas fundamentales aparte de la gravedad. Como no es muy denso, alrededor de 10-29 g / cm³, es difícil experimentar para detectarlo. La energía oscura tiene una gran influencia en el Universo, ya que representa el 70% de toda la energía y porque ocupa uniformemente el espacio interestelar. Los dos modelos principales son la quintaesencia y la constante cosmológica.

Historia

La constante cosmológica fue propuesta por primera vez por Albert Einstein como una forma de obtener una solución estable a la ecuación de campo de Einstein que conduciría a un Universo estático, usándola para compensar la gravedad. El mecanismo no fue solo un ejemplo poco elegante de “ajuste fino”, ya que pronto se demostró que el Universo estático de Einstein sería inestable porque las heterogeneidades locales conducirían finalmente a una expansión o contracción incontrolada del Universo. El equilibrio es inestable: si el Universo se expande ligeramente, la expansión libera la energía del vacío, lo que provoca aún más expansión. Asimismo, un Universo ligeramente contraído seguirá contrayéndose.

Este tipo de alteraciones son inevitables debido a la distribución desigual de la materia en el Universo. Las observaciones de Edwin Hubble han demostrado que el Universo se está expandiendo y no está en absoluto estático. Einstein llamó a su incapacidad para predecir un universo dinámico, en oposición a un universo estático, “su gran error”. Después de esta afirmación, la constante cosmológica ha sido ignorada durante mucho tiempo como una curiosidad histórica.

Alan Guth propuso en la década de 1970 que un campo de presión negativa, similar en concepto a la energía oscura, podría conducir a la inflación cósmica en el Universo pre-antiguo. La inflación postula que ciertas fuerzas repulsivas, cualitativamente similares a la energía oscura, hacen que el Universo se expanda tremendamente y exponencialmente poco después del Big Bang. Tal expansión es una característica esencial de muchos modelos actuales de Big Bang. Cependant, l’inflation a dû se produire à une énergie beaucoup plus élevée que l’énergie noire que nous observons aujourd’hui et on pense qu’elle s’est complètement terminée lorsque l’Univers n’était qu’à une fraction de el segundo.

No se sabe qué relación, si es que existe, existe entre la energía oscura y la inflación. Incluso después de que se hayan aceptado los modelos inflacionarios, la constante cosmológica se considera irrelevante en el Universo actual.

El término “energía oscura” fue acuñado por Michael Turner en 1998. En ese momento, se estableció el problema de la masa perdida de la nucleosíntesis primordial y la estructura a gran escala del Universo y algunos cosmólogos habían comenzado a teorizar que había un componente adicional en nuestro Universo. La primera evidencia directa de la energía oscura provino de las observaciones de la aceleración de la expansión de las supernovas, por Adam Riess y luego confirmada por Saul Perlmutter.

Esto resultó en el modelo Lambda-CDM, que hasta 2006 fue consistente con varias de las últimas observaciones cosmológicas rigurosamente crecientes de 2005 de la Supernova Legacy Survey. Los primeros resultados de SNLS revelaron que el comportamiento promedio de la energía oscura se comporta como la constante cosmológica de Einstein con un 10% de precisión. Los resultados del equipo Higher-Z en el Telescopio Espacial Hubble indican que la energía oscura ha estado presente durante al menos 9 mil millones de años y en el período previo a la aceleración cósmica.

Descubrimiento de la energía oscura

En 1998, las observaciones de supernovas Tipo 1 muy distantes, realizadas por el Proyecto de Cosmología de Supernovas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el equipo de investigación High-z Supernova, sugirieron que la expansión del Universo se estaba acelerando. Desde entonces, esta aceleración ha sido confirmada por varias fuentes independientes: mediciones de radiación de fondo de microondas, lentes gravitacionales, la nucleosíntesis primitiva de elementos ligeros y la estructura a gran escala del Universo, así como mediciones mejoradas de supernovas. han sido compatibles con el modelo Lambda-CDM.

Las supernovas de tipo 1a proporcionan la principal evidencia directa de la existencia de energía oscura. Según la ley de Hubble, todas las galaxias distantes aparentemente se alejan de la Vía Láctea, mostrando un corrimiento al rojo en el espectro de luz debido al efecto Doppler. La medida del factor de escala en el momento en que se emitió la luz de un objeto se obtiene fácilmente midiendo el corrimiento al rojo del objeto que se aleja. Este desplazamiento indica la edad de un objeto distante proporcionalmente, pero no absolutamente.

Por ejemplo, al estudiar el espectro de un cuásar, puedes saber si se formó cuando el Universo tenía el 20% o el 30% de su edad actual, pero no puedes saber la edad absoluta del cuásar. ‘Universo. Para ello, es necesario medir con precisión la expansión cosmológica. El valor que representa esta expansión hoy se llama constante de Hubble. Para calcular esta constante se utilizan velas estándar en cosmología, que son ciertos objetos astronómicos con la misma magnitud absoluta, que se conoce, de modo que es posible relacionar el brillo observado, o magnitud aparente, con la distancia.

Sin velas estándar, es imposible medir la relación entre el desplazamiento al rojo y la distancia de la Ley de Hubble. Las supernovas de tipo 1a son una de esas velas estándar, debido a su gran magnitud absoluta, lo que les permite ser vistas incluso en las galaxias más distantes. En 1998, varias observaciones de estas supernovas en galaxias muy distantes (y por lo tanto jóvenes) demostraron que la constante de Hubble no es tal, pero que su valor varía con el tiempo. Hasta entonces, se pensaba que la expansión del Universo se estaba desacelerando debido a la fuerza de la gravedad; Sin embargo, se descubrió que se estaba acelerando, por lo que debe haber algún tipo de fuerza para acelerar el Universo.

La coherencia en magnitud absoluta para las supernovas de tipo 1a se ve favorecida por el modelo de una vieja estrella enana blanca que gana masa de una estrella compañera y crece hasta el límite de Chandrasekhar definido con precisión. Con esta masa, la enana blanca es inestable ante una fuga termonuclear y explota como una supernova de tipo 1a con una luminosidad característica. La luminosidad observada de la supernova se pinta contra su corrimiento al rojo y esto se usa para medir la historia de la expansión del Universo.

Estas observaciones indican que la expansión del Universo no se está desacelerando, como cabría esperar de un Universo dominado por la materia, sino que se está acelerando. Estas observaciones se explican asumiendo que existe un nuevo tipo de energía de presión negativa. Sin embargo, la existencia de energía oscura es necesaria para reconciliar la geometría medida del espacio con la suma total de materia en el Universo. Las últimas mediciones de radiación de fondo de microondas del satélite WMAP indican que el Universo está muy cerca de ser plano.

Para que la forma del Universo sea plana, la densidad de masa / energía del Universo debe ser igual a una cierta densidad crítica. Las observaciones posteriores de la radiación de fondo de microondas y la proporción de elementos formados en el Big Bang limitaron la cantidad de materia oscura y bariónica que puede existir en el Universo, que es solo el 30% de la densidad crítica.

Esto implica la existencia de una forma adicional de energía que representa el 70% de la masa energética restante. Estos estudios indican que el 73% de la masa del Universo está formada por energía oscura, el 23% de materia oscura (materia materia oscura fría y oscura caliente) y 4% de materia bariónica. La teoría de la estructura a gran escala del Universo, que determina la formación de estructuras en el Universo (estrellas, cuásares, galaxias y cúmulos galácticos), también sugiere que la densidad de la materia en el Universo es solo el 30% de la densidad crítica.

Efectos de la energía oscura en el universo

La consecuencia más directa de la existencia de la energía oscura y la aceleración del Universo es que es más antiguo de lo que se pensaba. Si la edad del Universo se calcula a partir de los datos actuales de la constante de Hubble (71 ± 4 (km / s) / Mp), obtenemos una edad de 10 mil millones de años, menos que la edad de las estrellas más antiguas que existen. posible observar en cúmulos globulares, lo que crea una paradoja insuperable. Los cosmólogos estiman que la aceleración comenzó hace unos 9 mil millones de años.

Antes de eso, se pensaba que la expansión se estaba desacelerando, debido a la influencia atractiva de la materia oscura y los bariones. La densidad de la materia oscura en un Universo en expansión desaparece más rápido que la energía oscura y finalmente domina la energía oscura. Concretamente, cuando el volumen del Universo se duplica, la densidad de la materia oscura se reduce a la mitad, pero la densidad de la energía oscura permanece casi sin cambios (exactamente constante en el caso de una constante cosmológica). Teniendo en cuenta la energía oscura, la edad del Universo es de aproximadamente 13,7 mil millones de años (según los datos del satélite WMAP en 2003), lo que resuelve la paradoja de la edad de la mayoría de las estrellas.

Si l’accélération se poursuit indéfiniment, le résultat final sera que les galaxies en dehors du Superamas de la Vierge se déplaceront au-delà de l’horizon des événements : elles ne seront plus visibles, car leur vitesse radiale sera supérieure à la vitesse de la luz. Esto no es una violación de la relatividad especial y el efecto no puede usarse para enviar una señal entre ellos. Realmente no hay forma de definir la “velocidad relativa” en el espacio-tiempo curvo. La velocidad relativa y la velocidad solo pueden definirse con todo su significado en el espacio-tiempo plano o en regiones suficientemente pequeñas (infinitesimales) de espacio-tiempo curvo.

A su vez, evita cualquier comunicación entre ellos y el objeto pasa sin contacto. La Tierra, la Vía Láctea y el supercúmulo de Virgo, sin embargo, permanecerían en gran parte intactos a medida que el resto del universo retroceda. En este escenario, el supercúmulo local terminaría sufriendo una muerte por calor, tal como se esperaba para un Universo plano dominado por la materia, antes de las mediciones de la aceleración cósmica.

El fondo de microondas indica que la geometría del Universo es plana, es decir, el Universo tiene la masa suficiente para que la expansión continúe indefinidamente. Si el Universo, en lugar de un avión, estuviera cerrado, significaría que la atracción gravitacional de la masa que forma el Universo es mayor que la expansión del Universo, porque este último se contraería nuevamente (Big Crunch). Sin embargo, al estudiar la masa del Universo, se detectó rápidamente que faltaba materia para que el Universo fuera plano.

Esta “materia perdida” se llamó materia oscura. Con el descubrimiento de la energía oscura, ahora sabemos que el destino del Universo ya no depende de su geometría, es decir, de la cantidad de masa que contiene. Al principio, la expansión del Universo fue frenada por la gravedad, pero hace unos 4 mil millones de años, la energía oscura superó el efecto de la fuerza gravitacional de la materia y comenzó la aceleración de la expansión l.

El futuro último del Universo depende de la naturaleza exacta de la energía oscura. Si es una constante cosmológica, el futuro del Universo será muy similar al de un Universo plano. Sin embargo, en algunos modelos por excelencia, llamados energía fantasma, la densidad de la energía oscura aumenta con el tiempo, lo que hace que se acelere exponencialmente. En algunos modelos extremos, la aceleración sería tan rápida que superaría las fuerzas de atracción nuclear y destruiría el Universo en unos 20.000 millones de años, en el llamado Big Rip.

Hay ideas muy especulativas sobre el futuro del Universo. Uno sugiere que la energía fantasma causa una expansión divergente, lo que implicaría que la fuerza efectiva de la energía oscura continúa creciendo hasta que domina al resto de las fuerzas del Universo. En este escenario, la energía oscura eventualmente rompería todas las estructuras gravitacionales, incluidas las galaxias y los sistemas solares, y eventualmente superaría las fuerzas nucleares y eléctricas para romper los átomos mismos, terminando el Universo en una gran lágrima.

Por otro lado, la energía oscura puede disiparse con el tiempo o incluso volverse atractiva. Tales incertidumbres abren la posibilidad de que la gravedad aún pueda hacer que el Universo se contraiga en un “Big Crunch”. Algunos escenarios, como el modelo cíclico, sugieren que este podría ser el caso. Si bien estas ideas no están respaldadas por observaciones, no se pueden descartar. Las mediciones de aceleración son cruciales para determinar el destino final del Universo en la teoría del Big Bang.

Deja un comentario