al descifrar el rompecabezas cósmico de cuál es la naturaleza de la energía oscura, vamos a aprender mejor… el destino del Universo. Si la energía oscura cambia en fuerza o signo es clave para saber si terminaremos en una gran ruptura o no.
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Mirando al Universo hoy en día, es fácil estar absolutamente asombrado por todo lo que podemos encontrar. Las estrellas en nuestro cielo nocturno son solo una pequeña fracción — unos pocos miles de cientos de miles de millones-de lo que está presente en nuestra Vía Láctea., La Vía Láctea en sí es solo una galaxia solitaria de los billones presentes dentro del universo observable, que se extiende en todas direcciones durante unos 46 mil millones de años luz.
y todo comenzó hace unos 13,8 mil millones de años desde un estado caliente, denso y en rápida expansión conocido como el Big Bang. Ese es el primer momento en el que podemos describir nuestro universo como lleno de materia y radiación, y avanzar desde ese estado dadas las leyes conocidas de la física nos permite explicar cómo el cosmos tomó su forma moderna. Pero todo sigue expandiéndose, formando nuevas estrellas y evolucionando. ¿Cómo terminará?, Esto es lo que la ciencia tiene que decir.
Las velas estándar (L) y las reglas estándar (R) son dos técnicas diferentes que los astrónomos utilizan para medir… la expansión del espacio en varios tiempos / distancias en el pasado. Basándonos en cómo cantidades como la luminosidad o el tamaño angular cambian con la distancia, podemos inferir la historia de expansión del Universo. El uso del método de la vela es parte de la escalera de distancia, produciendo 73 km/s/Mpc. El uso de la regla es parte del método de señal temprana, produciendo 67 km/s/Mpc.,
NASA / JPL-Caltech
durante mucho tiempo, los científicos que estudiaron la estructura y evolución del Universo consideraron tres posibilidades, basadas en la física simple de la Relatividad General y el contexto del universo en expansión. Por un lado, la gravitación trabaja para reunir todo; es una fuerza de atracción gobernada por la materia y la energía, en todas sus formas, presentes en el universo. Por otro lado, está la tasa de expansión inicial, trabajando para separar todo.,
El Big Bang marca el pistoletazo de salida de la carrera más grande de todos los tiempos: entre la gravedad y la tasa de expansión. ¿Cuál ganará eventualmente en nuestro universo? La respuesta a esa pregunta, según el razonamiento clásico, debería determinar el destino de nuestro universo.
Un Universo que obedece a las leyes de la relatividad y se llena, isótropa y homogénea, con… la materia y / o radiación, no pueden ser estáticas. Debe expandirse o contraerse, dependiendo de lo que hay dentro de él y en qué cantidades.
E., Siegel / Beyond the Galaxy
esto es lo que pensamos que eran las posibilidades:
- El Universo se recolecta en una gran crisis. La expansión comienza rápidamente, y la gran cantidad de materia y radiación trabajan para volver a juntar todo. Si hay más que suficiente materia y energía, el universo se expandirá a un tamaño máximo, la expansión se invertirá en contracción, y el universo se acordará.
- El Universo se expande para siempre, lo que resulta en una gran congelación., Todo comienza igual que antes, solo que esta vez, la cantidad de materia y energía es insuficiente para contrarrestar la expansión. El universo sigue expandiéndose para siempre, ya que la tasa de expansión sigue cayendo pero nunca llega a cero.
- La expansión del Universo asíntota a cero. Imagine la situación límite justo entre los dos ejemplos anteriores. Si hubiera un protón más, nos acordaríamos; uno menos, y nos expandiríamos para siempre. En este caso crítico (o Ricitos de oro), el universo se expande para siempre, pero a la velocidad más lenta posible.,
para saber cuál era la correcta, todo lo que teníamos que hacer era medir qué tan rápido se estaba expandiendo el universo, y cómo esa tasa de expansión cambiaba con el tiempo. La física determinaría el resto.
Mientras que la materia y la radiación se vuelven menos densos como el Universo se expande debido al aumento de su volumen… la energía oscura es una forma de energía inherente al espacio mismo. A medida que se crea un nuevo espacio en el universo en expansión, la densidad de energía oscura permanece constante.
E. Siegel / más Allá de La Galaxia
fue una de las grandes misiones de la astrofísica moderna., Mida la velocidad a la que el universo se estaba expandiendo, y usted sabe cómo el tejido del espacio está cambiando hoy en día. Mida cómo ha cambiado la tasa de expansión con el tiempo y sabrá cómo ha cambiado el tejido del espacio en el pasado.
Coloque las dos piezas de información, y la forma en que la tasa de expansión de ambos y también ha cambiado permite determinar qué está hecho el Universo, y en qué proporciones.
hasta donde sabemos, informados por estas mediciones, hemos determinado que el universo está hecho de aproximadamente 0.01% de radiación, 0.1% de neutrinos, 4.,9% de materia normal, 27% de materia oscura y 68% de energía oscura. Esta búsqueda, que comenzaron a principios de la década de 1920 para algunos, recibió una respuesta inesperada en la década de 1990.
La expansión del Universo, lleno de galaxias y compleja estructura que vemos hoy en día, surgió a partir de una pequeña… estado más caliente, más denso, más uniforme en el pasado. Debe haber alguna nueva forma de energía que impulse la fase actual de expansión acelerada, más allá de la materia y la radiación conocidas.
C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L., Hernquist, Science 319, 5859 (47)
entonces, si la energía oscura domina la expansión del universo, ¿qué significa eso para nuestro destino? Todo depende de cómo — o si-la energía oscura evoluciona con el tiempo. Aquí están las cinco posibilidades.
1. La energía oscura es una constante cosmológica que domina la expansión. Esta es la opción predeterminada dado los mejores datos que tenemos hoy. Mientras que la materia se vuelve menos densa a medida que el universo se expande, diluyéndose a medida que el volumen se expande, la energía oscura representa una cantidad no nula de energía inherente al tejido del espacio mismo., A medida que el universo se expande, la densidad de energía oscura permanece constante, causando que la tasa de expansión no sea cero, sino un valor positivo.
esto conduce a un universo en expansión exponencial, y eventualmente alejará todo lo que no es parte de nuestro grupo local. Ya, el 97% del universo visible es inalcanzable bajo estas Condiciones.
el escenario Big Rip ocurrirá si encontramos que la energía oscura aumenta en fuerza, mientras permanece… negativo en dirección, con el tiempo.
Jeremy Teaford/Vanderbilt University
2.,) La energía oscura es dinámica, y se hace más poderosa con el tiempo. La energía oscura parece ser una nueva forma de energía que es inherente al espacio mismo, lo que implica que tiene una densidad de energía constante. Pero también podría estar cambiando con el tiempo. Una posible forma en que podría estar cambiando es que podría estar fortaleciéndose en magnitud, lo que causaría que la tasa de expansión del Universo se acelerara con el tiempo.
no solo los objetos más distantes parecen acelerarse lejos de nosotros, lo harían a un ritmo creciente., Peor aún, los objetos que hoy están unidos gravitacionalmente – como los cúmulos de galaxias, las galaxias individuales, el sistema solar e incluso los átomos — algún día se liberarían a medida que la energía oscura se fortaleciera. En los momentos finales del Universo, las partículas subatómicas y el tejido del espacio mismo se destrozarían. Este destino» Big Rip » es una segunda posibilidad.
Mientras que las densidades de energía de la materia, la radiación y la energía oscura son muy bien conocidos, hay todavía… un montón de margen de maniobra en la ecuación del Estado de la energía oscura., Podría ser una constante, pero podría aumentar o disminuir en la fuerza con el tiempo también.
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3.) La energía oscura es dinámica, y decae con el tiempo. ¿De qué otra manera podría cambiar la energía oscura? En lugar de fortalecerse, podría debilitarse. Claro, la tasa de expansión es consistente con una cantidad constante de energía que pertenece al espacio mismo, pero esta densidad de energía también podría estar cayendo.
Si decae a cero, podría conducir a una de las posibilidades originales expresadas anteriormente: la gran congelación., El universo todavía se expandiría, pero sin suficiente materia y otras formas de energía para recordar.
si decae y se vuelve negativo, sin embargo, podría llevar a otra de las posibilidades: un gran crujido. El universo podría estar lleno de energía intrínseca al espacio que repentinamente cambió de signos y causó que el espacio se acordara. Si bien la escala de tiempo para estos cambios está limitada a ser mucho más larga que el tiempo desde el Big Bang, todavía podría ocurrir.
Las diferentes formas de la energía oscura podría evolucionar en el futuro. Permaneciendo constante o aumentando…, la fuerza (en un gran rasgón) podría rejuvenecer potencialmente el universo, mientras que revertir el signo podría conducir a un gran crujido.
NASA/CXC/M. Weiss
4. La energía oscura podría pasar a otra forma de energía, rejuveneciendo el universo. Si la energía oscura no decae, sino que permanece constante o incluso se fortalece, existe otra posibilidad que surge. Esta energía, inherente al tejido del espacio hoy en día, puede no permanecer en esa forma para siempre., En cambio, podría convertirse en materia y radiación, similar a lo que ocurrió cuando terminó la inflación cósmica y comenzó el Big Bang caliente.
si la energía oscura permanece constante hasta ese punto, creará una versión muy, muy fría y difusa del Big Bang caliente, donde solo los neutrinos y los fotones pueden auto-crearse. Pero si la energía oscura aumenta en fuerza, podría conducir a un estado similar a la inflación seguido de un nuevo Big Bang realmente caliente una vez más., Esta es la forma más directa de rejuvenecer el universo, y crear un conjunto de parámetros cíclicos, donde el universo recién creado tiene otra oportunidad de comportarse como lo hizo el nuestro.
El modelo más simple de inflación es que empezamos en la cima de una colina proverbial, donde… la inflación persistió, y rodó en un valle, donde la inflación llegó a su fin y resultó en el Big Bang caliente., Si ese valle no está en un valor de cero, sino en algún valor positivo, distinto de cero, puede ser posible hacer un túnel cuántico en un estado de baja energía, lo que tendría graves consecuencias para el universo que conocemos hoy en día.
E. Siegel / más Allá de la Galaxia
5. La energía oscura está relacionada con la energía de punto cero del vacío cuántico, y se descompondrá, destruyendo el universo que conocemos. Esta es la posibilidad más destructiva de todas., ¿Qué pasa si la energía oscura no es el verdadero valor del espacio vacío en la configuración de energía más baja, sino que es el resultado de simetrías al principio en el universo que se rompieron en una configuración mínima falsa?
si es así, habría una manera de que el túnel cuántico en un estado de baja energía, cambiar las leyes de la física y destruir todos los Estados Unidos (es decir, partículas) de los campos cuánticos de hoy. Si el vacío cuántico es inestable de esta manera en particular, dondequiera que ocurra esta descomposición resultará en la destrucción de todo en el universo en una burbuja que se expande hacia afuera a la velocidad de la luz., Si tal señal llegara a nosotros, estaría acompañada por nuestra destrucción instantánea, también.
El área de visualización de Hubble (arriba a la izquierda) en comparación con el área que WFIRST será capaz de ver, en… la misma profundidad, en la misma cantidad de tiempo. La visión de campo amplio de WFIRST nos permitirá capturar un mayor número de supernovas distantes que nunca antes, lo que nos permitirá determinar y restringir mejor la naturaleza de la energía oscura.,
NASA / Goddard/WFIRST
aunque no sabemos cuál de estas posibilidades es cierta para nuestro universo, los datos son increíblemente consistentes con la primera opción: de que la energía oscura sea realmente una constante. En este momento, nuestras observaciones de cómo ha evolucionado el universo — particularmente debido a la radiación de fondo cósmico de microondas y la estructura a gran escala del Universo-ponen fuertes restricciones sobre cuánto margen de maniobra hay para que cambie la energía oscura.,
con el próximo advenimiento de la misión Astrofísica insignia de la NASA de la década de 2020, WFIRST, estamos listos para apretar ese margen de maniobra por quizás otro factor de 10 más o menos. Si la energía oscura ofrece alguna indicación de que nuestro destino será diferente del que anticipamos hoy, ese Observatorio será el que tenga la mejor oportunidad de revelar científicamente esta nueva verdad sobre nuestro universo. Hasta entonces, todo lo que tenemos son las posibilidades que sabemos considerar. El resto depende de la ciencia.
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