ASTRONOMÍA. La energía oscura temprana podría resolver un enigma cosmológico

la energía oscura temprana podría resolver un enigma cosmológico

 

Fuente: NASA, ESA, CSA Y STSCI

Las mediciones de la aceleración del universo no concuerdan, lo que deja perplejos a los físicos que trabajan para comprender el pasado y el futuro cósmico. Una nueva propuesta busca alinear mejor estas estimaciones y probablemente sea comprobable.

04 octubre 2023.- En el corazón del modelo del Big Bang sobre los orígenes cósmicos está la observación de que el universo se está expandiendo, algo que los astrónomos saben desde hace casi un siglo. Y, sin embargo, determinar qué tan rápido se está expandiendo el universo ha sido frustrantemente difícil de lograr. De hecho, es peor que eso: utilizando un tipo de medición, basada en el fondo cósmico de microondas (radiación remanente del Big Bang), los astrónomos encuentran un valor para la tasa de expansión del universo. Un tipo diferente de medición, basado en observaciones de la luz procedente de estrellas en explosión llamadas supernovas, arroja otro valor. Y los dos números no están de acuerdo.

A medida que esas mediciones se vuelven cada vez más precisas, ese desacuerdo se vuelve cada vez más difícil de explicar. En los últimos años, la discrepancia incluso ha recibido un nombre –la “ tensión de Hubble ”– en honor al astrónomo Edwin Hubble, uno de los primeros en proponer que el universo se está expandiendo.

 La mayoría de las soluciones o explicaciones para esta tensión de Hubble implican cambios en la descripción matemática de los componentes y la evolución del universo: el modelo cosmológico estándar . La mayoría de los primeros esfuerzos por comprender la discrepancia implicaron cambios en el comportamiento tardío del universo tal como lo describe el modelo cosmológico estándar. Pero casi todas esas ideas no funcionan porque postulan una física nueva y muy extraña.

Se ha aprendido mucho sobre el universo primitivo a partir de estudios de la luz remanente que inunda el cosmos. Los estudios de esta antigua radiación sobrante, llamada fondo cósmico de microondas, permiten a los astrónomos calcular la "constante de Hubble", una medida de la tasa de aceleración del universo. (Los colores muestran pequeñas variaciones de temperatura en el cielo; el rojo es más cálido, el azul más frío). Fuente: ESA Y LA COLABORACIÓN PLANCK


La tasa de expansión actual del universo se llama “constante de Hubble”, designada con el símbolo 0 . En pocas palabras, la constante de Hubble puede predecir qué tan rápido parecerán alejarse uno del otro dos objetos celestes (por ejemplo, dos galaxias separadas por una distancia determinada). Técnicamente, esta velocidad suele expresarse en unidades no muy intuitivas de “kilómetros por segundo por megaparsec”. Eso significa que por cada megaparsec (un poco más de 3 millones de años luz, casi 20 millones de billones de millas) que separa dos objetos celestes distantes, parecerán separarse a una cierta velocidad (generalmente medida en kilómetros por segundo).

Durante décadas, los astrónomos discutieron sobre si esa velocidad (por megaparsec de separación) era cercana a los 50 o más cerca de los 100 kilómetros por segundo. Hoy en día, los dos métodos parecen producir valores para la constante de Hubble de aproximadamente 68 km/s/mpc por un lado y alrededor de 73 o 74 km/s/mpc por el otro.

Puede parecer una diferencia insignificante, pero para los astrónomos, la discrepancia es un gran problema: la constante de Hubble es quizás el número más importante de toda la cosmología. Informa la comprensión de los científicos sobre los orígenes y el futuro del cosmos, y refleja su mejor física; cualquier problema sugiere que pueden faltar piezas en esa física. Ambas mediciones ahora tienen márgenes de error bastante estrechos, por lo que las dos cifras, por muy cercanas que parezcan, son una fuente de conflicto.

Al principio de su historia, el universo se expandió rápidamente. El ritmo de expansión disminuyó gradualmente, pero hoy parece estar acelerándose una vez más. Los científicos lo atribuyen a la energía oscura, que separa las cosas. El destino final del universo depende de la influencia de la energía oscura. Si continúa dominando a niveles constantes, el universo puede aumentar de tamaño sin límite. Si la fuerza de la energía oscura aumenta demasiado, el cosmos podría dividirse en un "gran desgarro". Si la energía oscura se debilita y si el universo contiene suficiente masa, el cosmos podría eventualmente colapsar en una “gran crisis”. Fuente: NASA / CXC / M. WEISS


Otra fuente de consternación es la física que impulsa la expansión cósmica, especialmente después del descubrimiento en 1998 de una misteriosa entidad denominada " energía oscura ".

En el modelo del Big Bang, el espacio-tiempo comenzó a expandirse hace unos 13.800 millones de años. Más tarde, se formaron galaxias y la expansión las arrastró consigo, alejándolas unas de otras. Pero la gravedad hace que la materia atraiga materia, lo que debería frenar esa expansión hacia afuera y, eventualmente, tal vez incluso hacer que esas galaxias inviertan su curso. De hecho, la expansión del universo se desaceleró durante los primeros miles de millones de años después del Big Bang. Luego, extrañamente, empezó a acelerar de nuevo. Los astrónomos atribuyen ese impulso hacia el exterior a la energía oscura.


El Telescopio del Polo Sur, en funcionamiento desde 2007, está diseñado para estudiar el fondo cósmico de microondas con gran detalle, superando incluso la resolución angular del satélite Planck. Este y otros telescopios de alta precisión que pronto entrarán en funcionamiento pueden ayudar a revelar si la energía oscura temprana puede resolver la tensión de Hubble. Fuente: DANIEL LUONG-VAN


Pero nadie sabe qué es realmente la energía oscura. Una sugerencia es que podría ser un tipo de energía asociada con el espacio vacío conocida como " constante cosmológica ", una idea propuesta por primera vez por Albert Einstein en 1917. Pero también es posible que, en lugar de ser constante, la fuerza del empuje de la energía oscura puede haber variado a lo largo de los eones.

Realmente no sabemos qué es la energía oscura y no sabemos qué es la energía oscura temprana, por lo que es difícil decir si son iguales o diferentes. Sin embargo, la familia de ideas que hemos desarrollado para la energía oscura temprana es más o menos la misma que las que hemos desarrollado para la energía oscura, pero están activas en un momento diferente.

La constante cosmológica es la hipótesis más simple para algo más ampliamente conocido como energía oscura, que es algún componente de la materia que tiene una presión negativa y la densidad de energía correcta necesaria para dar cuenta de las observaciones. Y la energía oscura temprana es un tipo diferente de energía oscura, en el sentido de que llegaría a ser importante en el universo temprano más que en el universo posterior.

Para el físico teórico Marc Kamionkowski , la tensión de Hubble es un problema urgente. Pero es posible que él y sus colegas hayan encontrado una manera de avanzar: una idea llamada " energía oscura temprana ". Él y Adam Riess, ambos de la Universidad Johns Hopkins, exploran la naturaleza de la tensión y las perspectivas de eventualmente mediarla en la Revisión Anual de Ciencia Nuclear y de Partículas de 2023 .

En 2021, Kamionkowski recibió, junto con Uroš Seljak y Matías Zaldarriaga, el Premio Gruber de Cosmología, uno de los máximos honores en este campo, por desarrollar técnicas para estudiar el fondo cósmico de microondas. Aunque Kamionkowski pasa gran parte de su tiempo trabajando en problemas de astrofísica teórica, cosmología y física de partículas, sus diversos intereses hacen que sea difícil encasillarlo.

En la actualidad, nadie cree que la energía oscura temprana sea una gran idea. Pero todo el mundo está de acuerdo en que es la idea menos descabellada: el más aceptable de todos los modelos descabellados para explicar la tensión de Hubble.

Fuente: Vivian Poulin, Tristan L. Smith, Tanvi Karwal, Marc Kamionkowski. Early Dark Energy Can Resolve The Hubble Tension. https://doi.org/10.48550/arXiv.1811.04083

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