La energía oscura en cosmología es un tipo hipotético de energía introducido en el modelo matemático del Universo para explicar su expansión observada con aceleración [1] .
Hay tres opciones para explicar la esencia de la energía oscura:
A partir de 2020, con evidencia observacional confiable, como las mediciones CMB que confirman la existencia de energía oscura, el modelo Lambda-CDM se acepta como el estándar en cosmología [3] .
La elección final entre opciones requiere mediciones muy largas y muy precisas de la tasa de expansión del Universo para comprender cómo cambia esta tasa con el tiempo. La tasa de expansión del Universo se describe mediante la ecuación de estado cosmológica . Resolver la ecuación de estado de la energía oscura es uno de los problemas más apremiantes de la cosmología observacional moderna [3] .
Según los datos de observaciones del observatorio espacial Planck publicados en marzo de 2013 , la masa-energía total del Universo observable se compone de energía oscura en un 68,3% y materia oscura en un 26,8% [4] [5] [6] .
Las observaciones de supernovas de tipo Ia realizadas a fines de la década de 1990 concluyeron que la expansión del universo se está acelerando con el tiempo. Estas observaciones fueron luego respaldadas por otras fuentes: mediciones de CMB , lentes gravitacionales , nucleosíntesis del Big Bang . Todos los datos obtenidos encajan bien en el modelo lambda-CDM .
Las distancias a otras galaxias se determinan midiendo su corrimiento al rojo . De acuerdo con la ley de Hubble , la magnitud del corrimiento hacia el rojo de la luz de las galaxias distantes es directamente proporcional a la distancia a estas galaxias. La relación entre la distancia y el corrimiento al rojo se llama el parámetro de Hubble (o, no exactamente, la constante de Hubble).
Sin embargo, el valor del propio parámetro de Hubble primero debe establecerse de alguna manera, y para ello es necesario medir los valores de corrimiento al rojo para las galaxias, cuyas distancias ya han sido calculadas por otros métodos . Para ello, en astronomía se utilizan "velas estándar", es decir, objetos cuya luminosidad se conoce. El mejor tipo de "vela estándar" para las observaciones cosmológicas son las supernovas de tipo Ia (todas las estrellas fulgurantes Ia a la misma distancia deberían tener casi el mismo brillo observado; es deseable corregir la rotación y composición de la estrella original). Al comparar el brillo observado de las supernovas en diferentes galaxias, se pueden determinar las distancias a estas galaxias.
A fines de la década de 1990, se descubrió que en galaxias distantes, cuya distancia estaba determinada por la ley de Hubble, las supernovas de tipo Ia tienen un brillo inferior al que se supone que deben tener. En otras palabras, la distancia a estas galaxias, calculada mediante el método de las "candelas estándar" (supernovas Ia), resulta ser mayor que la distancia calculada en base al valor previamente establecido del parámetro de Hubble. Se concluyó que el universo no solo se está expandiendo, se está expandiendo con aceleración.
Los modelos cosmológicos existentes anteriormente suponían que la expansión del universo se estaba desacelerando. Partieron de la suposición de que la mayor parte de la masa del Universo es materia, tanto visible como invisible ( materia oscura ). Con base en nuevas observaciones que indican una aceleración de la expansión, se postuló la existencia de una forma desconocida de energía con presión negativa (ver ecuaciones de estado ). Lo llamaron "energía oscura".
La hipótesis de la existencia de la energía oscura (sea la que sea) resuelve también el llamado "problema de la masa invisible ". La teoría del Big Bang de la nucleosíntesis explica la formación de elementos químicos ligeros como el helio , el deuterio y el litio en el universo primitivo . La teoría de la estructura a gran escala del Universo explica la formación de la estructura del Universo: la formación de estrellas , cuásares , galaxias y cúmulos de galaxias. Ambas teorías sugieren que la densidad de la materia bariónica y la materia oscura es aproximadamente el 30% de la densidad crítica requerida para la formación de un universo "cerrado", es decir, corresponde a la densidad requerida para que la forma del universo sea plana . . Mediciones recientes del CMB del Universo realizadas por el satélite WMAP muestran que el espacio-tiempo en el Universo tiene una curvatura global muy cercana a cero. Por lo tanto, alguna forma previamente desconocida de energía invisible debe explicar el 70% faltante de la densidad del Universo. [7]
La esencia de la energía oscura es objeto de controversia. Se sabe que se distribuye de manera muy uniforme en el espacio [7] , que experimenta repulsión gravitatoria en lugar de atracción gravitatoria [7] , que tiene una densidad baja y que no interactúa de manera notable con la materia ordinaria a través de tipos fundamentales conocidos de interacción, con la excepción de gravedad La densidad de la energía oscura no depende del tiempo (en los últimos 8 mil millones de años, su densidad ha cambiado en no más del 10%). [7] Dado que la densidad hipotética de la energía oscura es baja (del orden de 10 −29 g/cm³), es poco probable que sea detectada por un experimento de laboratorio. La energía oscura solo puede tener un efecto tan profundo en el universo (que comprende el 70% de toda la energía) porque llena uniformemente (de lo contrario) el espacio vacío.
La explicación más simple es que la energía oscura es simplemente el "costo de existencia del espacio": es decir, cualquier volumen de espacio tiene alguna energía inherente fundamental. A veces también se le llama energía del vacío porque es la densidad de energía del vacío puro . Esta es la constante cosmológica , a veces llamada el "término lambda" (del nombre de la letra griega utilizada para designarlo en las ecuaciones de la relatividad general ) [8] . La introducción de la constante cosmológica en el modelo cosmológico estándar basado en la métrica de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker condujo al modelo moderno de cosmología conocido como modelo lambda-CDM . Este modelo está en buen acuerdo con las observaciones cosmológicas disponibles.
Muchas teorías físicas de las partículas elementales predicen la existencia de fluctuaciones del vacío , es decir, dotan al vacío precisamente de este tipo de energía. El valor de la constante cosmológica se estima en el orden de 10-29 g/cm³, o alrededor de 1,03 keV /cm³ (alrededor de 10-123 en unidades de Planck ) [9] .
La constante cosmológica tiene una presión negativa igual a su densidad de energía. Las razones por las que la constante cosmológica tiene una presión negativa provienen de la termodinámica clásica. La cantidad de energía contenida en la “caja con vacío” del volumen es igual a , donde es la densidad de energía de la constante cosmológica. Un aumento en el volumen de la "caja" ( positivamente) conduce a un aumento en su energía interna, lo que significa que realiza un trabajo negativo. Dado que el trabajo realizado al cambiar el volumen es igual a , donde es la presión, entonces es negativo y, de hecho, (el coeficiente que conecta la masa y la energía es igual a 1) [2] .
De acuerdo con la teoría general de la relatividad , la gravedad depende no solo de la masa (densidad), sino también de la presión , y la presión tiene un coeficiente mayor que la densidad. La presión negativa debe dar lugar a la repulsión, la antigravedad , y por lo tanto provoca la aceleración de la expansión del Universo [10] .
El problema sin resolver más importante de la física moderna es que la mayoría de las teorías cuánticas de campo , basadas en la energía del vacío cuántico , predicen un valor enorme de la constante cosmológica, muchos órdenes de magnitud mayor que el valor permitido según los conceptos cosmológicos. La fórmula habitual de la teoría cuántica de campos para la suma de las oscilaciones del campo en el punto cero del vacío (con un corte en el número de onda de los modos de vibración correspondientes a la longitud de Planck ) da una enorme densidad de energía del vacío [11] [12] . Este valor, por lo tanto, debe ser compensado por alguna acción, casi igual (pero no exactamente igual) en valor absoluto, pero que tenga el signo opuesto. Algunas teorías de supersimetría (SATHISH) requieren que la constante cosmológica sea exactamente cero, lo que tampoco ayuda a resolver el problema. Esta es la esencia del “ problema de la constante cosmológica ”, el problema más difícil de “ ajuste fino ” en la física moderna: no se ha encontrado ninguna forma de deducir de la física de partículas elementales el valor extremadamente pequeño de la constante cosmológica definida en cosmología. Algunos físicos, incluido Steven Weinberg , consideran los llamados. El " principio antrópico " es la mejor explicación para el fino balance de energía observado en el vacío cuántico.
A pesar de estos problemas, la constante cosmológica es, en muchos sentidos, la solución más económica al problema de un universo en aceleración. Un solo valor numérico explica muchas observaciones. Por tanto, el actual modelo cosmológico generalmente aceptado (modelo lambda-CDM ) incluye la constante cosmológica como elemento esencial.
Un enfoque alternativo fue propuesto en 1987 por el físico teórico alemán Christoph Wetterich [13] [14] . Wetterich partió de la suposición de que la energía oscura es un tipo de excitación similar a una partícula de cierto campo escalar dinámico llamado "quintaesencia" [15] . La diferencia con la constante cosmológica es que la densidad de la quintaesencia puede variar en el espacio y el tiempo. Para que la quintaesencia no pueda “reunirse” y formar estructuras a gran escala siguiendo el ejemplo de la materia ordinaria (estrellas, etc.), debe ser muy ligera, es decir, tener una gran longitud de onda Compton .
Todavía no se ha descubierto evidencia de la existencia de la quintaesencia, pero tal existencia no se puede descartar. La hipótesis de la quintaesencia predice una aceleración del universo ligeramente más lenta que la hipótesis de la constante cosmológica. Algunos científicos creen que la mejor prueba de la quintaesencia serían las violaciones del principio de equivalencia de Einstein y las variaciones en las constantes fundamentales en el espacio o el tiempo. La existencia de campos escalares es predicha por el modelo estándar y la teoría de cuerdas , pero esto plantea un problema similar al caso de la constante cosmológica: la teoría de renormalización predice que los campos escalares deben adquirir una masa significativa.
El problema de la coincidencia cósmica plantea la pregunta de por qué la aceleración del universo comenzó en un momento determinado. Si la aceleración en el Universo hubiera comenzado antes de este momento, las estrellas y las galaxias simplemente no habrían tenido tiempo de formarse, y la vida no tendría ninguna posibilidad de surgir, al menos en la forma que conocemos. Los partidarios del " principio antrópico " consideran este hecho el mejor argumento a favor de sus construcciones. Sin embargo, muchos modelos de quintaesencia prevén el llamado "comportamiento de seguimiento" que resuelve este problema. En estos modelos, el campo de quintaesencia tiene una densidad que se ajusta a la densidad de radiación (sin alcanzarla) hasta el momento del desarrollo del Big Bang, cuando se forma el equilibrio de materia y radiación. Después de este punto, la quintaesencia comienza a comportarse como la "energía oscura" deseada y finalmente domina el universo. Este desarrollo, naturalmente, establece un valor bajo para el nivel de energía oscura.
Ecuación de estado (dependencia de la presión sobre la densidad de energía) para la quintaesencia: donde (para el vacío ).
Se han propuesto otros posibles tipos de energía oscura: la energía fantasma , para la que la densidad de energía aumenta con el tiempo (en la ecuación de estado de este tipo de energía oscura ), y la denominada "quintaesencia cinética", que tiene la forma de energía cinética no estándar . Tienen propiedades inusuales: por ejemplo, la energía fantasma puede conducir a un Big Rip [16] del Universo.
En 2014, los datos del proyecto BOSS ( Baryon Oscillation Spectroscopic Survey ) mostraron que, con un alto grado de precisión, el valor de la energía oscura es una constante [17] .
Existe la hipótesis de que no existe energía oscura en absoluto, y la expansión acelerada del Universo se explica por las propiedades desconocidas de las fuerzas gravitatorias , que comienzan a manifestarse a distancias del orden del tamaño de la parte visible del Universo. [3] .
Se estima que la expansión acelerada del universo comenzó hace aproximadamente 5 mil millones de años. Se supone que antes esta expansión se ralentizaba debido a la acción gravitatoria de la materia oscura y la materia bariónica . La densidad de la materia bariónica en el universo en expansión disminuye más rápido que la densidad de la energía oscura. Eventualmente, la energía oscura comienza a hacerse cargo. Por ejemplo, cuando el volumen del universo se duplica, la densidad de la materia bariónica se reduce a la mitad, mientras que la densidad de la energía oscura permanece casi sin cambios (o exactamente sin cambios, en el caso de la constante cosmológica).
Si la expansión acelerada del Universo continúa indefinidamente, entonces, como resultado, las galaxias fuera de nuestro Supercúmulo de galaxias tarde o temprano irán más allá del horizonte de eventos y se volverán invisibles para nosotros, ya que su velocidad relativa excederá la velocidad de la luz . Esto no es una violación de la relatividad especial . De hecho, es imposible incluso definir la "velocidad relativa" en el espacio-tiempo curvo. La velocidad relativa tiene sentido y sólo se puede determinar en un espacio-tiempo plano, o en una sección suficientemente pequeña (que tiende a cero) de un espacio-tiempo curvo. Cualquier forma de comunicación más allá del horizonte de eventos se vuelve imposible y se pierde todo contacto entre los objetos. La Tierra , el Sistema Solar , nuestra Galaxia y nuestro Supercúmulo serán visibles entre sí y, en principio, accesibles por vuelos espaciales, mientras que el resto del Universo desaparecerá en la distancia. Con el tiempo, nuestro Supercúmulo llegará a un estado de muerte por calor , es decir, se hará realidad el escenario asumido para el anterior modelo plano del Universo con predominio de la materia.
Hay hipótesis más exóticas sobre el futuro del universo. Uno de ellos sugiere que la energía fantasma conducirá a la llamada. extensión "divergente". Esto implica que la fuerza expansiva de la energía oscura continuará aumentando indefinidamente hasta que supere a todas las demás fuerzas del universo. De acuerdo con este escenario, la energía oscura eventualmente rompe todas las estructuras ligadas gravitacionalmente del Universo, luego supera las fuerzas de las interacciones electrostáticas e intranucleares , rompe átomos, núcleos y nucleones y destruye el Universo en un Big Rip .
Por otro lado, la energía oscura eventualmente puede disiparse o incluso cambiar de repulsiva a atractiva. En este caso, la gravedad prevalecerá y llevará al Universo al " Big Crunch ". Algunos escenarios asumen un "modelo cíclico" del universo. Aunque estas hipótesis aún no están confirmadas por las observaciones, no se rechazan por completo. Las mediciones precisas de la tasa de aceleración deben desempeñar un papel decisivo en el establecimiento del destino final del universo (que se desarrolla de acuerdo con la teoría del Big Bang ).
La expansión acelerada del Universo fue descubierta en 1998 durante las observaciones de supernovas de tipo Ia [18] [19] . Por este descubrimiento , Saul Perlmutter , Brian P. Schmidt y Adam Riess recibieron el Premio Shao de Astronomía 2006 y el Premio Nobel de Física 2011 .
Aparecen regularmente artículos resonantes que critican la energía oscura, y aunque los autores suelen expresarse con moderación en los propios trabajos, en las anotaciones y comentarios a los periodistas presentan sus conclusiones de forma exagerada, [20] por ejemplo, como cuestionando la propia existencia de energía oscura:
Parte del trabajo de crítica a la energía oscura se basa en que se encontró que los espectros de las supernovas de tipo Ia , que se consideraban iguales, en realidad son diferentes; además, la forma de supernova de tipo Ia, que es relativamente rara en la actualidad, era mucho más común antes en la historia del universo :
Existen varias instalaciones experimentales cuyas tareas incluyen la detección de energía oscura (se dedican principalmente a la búsqueda de partículas WIMP y, a 2018, no han obtenido ningún resultado positivo): [28]
Sin embargo, la opinión predominante en la comunidad científica es que la presencia de energía oscura es un hecho establecido. [22] Aunque no hay observaciones directas de la energía oscura, las observaciones del CMB realizadas por el observatorio espacial Planck son la evidencia más sólida de la existencia de la energía oscura. [20] Muchos resultados observacionales, en particular las oscilaciones bariónicas [20] y las lentes gravitatorias débiles , no encuentran explicaciones convincentes que no sean dentro del marco del modelo Lambda-CDM .
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