Pregúntele a Ethan No. 52: ¿Cuánto tiempo ha comenzado a acelerarse la expansión del universo?
Nacimos un par de miles de millones de años antes, no lo habríamos sabido.
Al final, el "Universo" es una hipótesis, como un "átomo", y se le debe dar la libertad de poseer propiedades, de hacer cosas que sean contradictorias e imposibles para la estructura material final.
-William de Sitter
Desde hace un año, semanalmente, le pido que me envíe preguntas y sugerencias, y elijo las que más me gustaron para la columna semanal "Pregúntele a Ethan". Abordamos temas desde las escalas más pequeñas a las más grandes, desde los asuntos terrenales hasta el espacio, y desde el comienzo del Universo hasta su final. Esta semana, Hems Azri me pregunta sobre esto:¡Intentando descubrir si hay nuevos datos de observación sobre la fase de aceleración del Universo! ¿Cuándo empezó?
Hablemos sobre el universo y su expansión.
Hace menos de 100 años, aprendimos que las nebulosas espirales en nuestro cielo no son protostars que surgen en nuestra galaxia, sino galaxias enteras ubicadas desde nosotros a distancias de millones a miles de millones de años luz. Casi de inmediato, nos dimos cuenta de que había una conexión increíble entre la distancia a la galaxia y su velocidad en relación con nosotros.
Aunque había varias soluciones exactas en la Teoría General de la Relatividad en ese momento, una de ellas describió muy bien el Universo: un universo en expansión, homogéneo en las escalas más grandes. Aunque nuestro universo no es tan homogéneo en escalas de varias decenas a millones de años luz, al estudiar las escalas de decenas de miles de millones de años luz, vemos que las desviaciones de la homogeneidad son muy pequeñas. En promedio, esta solución, la métrica de Friedman-Lemetre-Robertson-Walker, describe el Universo mejor que otros.
Ella nos dice que el espacio entre las galaxias, o entre cualquier estructura no conectada entre sí o incluso a estructuras más grandes por gravedad, debería expandirse. Si queremos saber cómo se expande, es decir, con qué velocidad, necesitamos saber dos cosas:- tasa de expansión en cualquier momento
- tipos y proporciones de materia y energía presentes en el universo
¡Y eso es todo! Si reconocemos estos dos puntos, podremos entender el destino del Universo y la velocidad de expansión, que fue, es y será, en cualquier momento, comenzando con el Big Bang.
El primer punto es bastante simple, y tenemos muchas formas de resolver este problema. Al estudiar la lejanía de varios objetos del Universo y su velocidad de eliminación, podemos descubrir la velocidad de expansión actual. Este es un punto, pero es fácil de contar. Aunque hubo controversia sobre la velocidad exacta en la década de 1990, ahora hemos establecido que es aproximadamente 67 km / s / Mpc (donde Mpc es aproximadamente 3,260,000 años luz) con una precisión de 2-3 km / s / Mpc.Obtuvimos la respuesta a la segunda pregunta de una combinación de observaciones de objetos de varios tipos, incluidos objetos distantes como supernovas, radiación cósmica de microondas, estructuras a gran escala y vibraciones acústicas bariónicas.
Y como resultado, resultó que la composición del Universo es aproximadamente la siguiente:- 0.01% - fotones, o radiación en forma de luz
- 4.9% - materia ordinaria basada en protones, neutrones, electrones
- 27% - materia oscura, incluidos los neutrinos, que contienen 0.1% en total, y el resto es desconocido
- 68% - energía oscura, que, según nuestras observaciones, no difiere de la constante cosmológica
A partir de esto, hasta donde sabemos, el Universo consiste en.
Hablando de la aceleración del Universo, queremos decir algo concreto. No queremos decir que la tasa de expansión actual, 67 km / s / Mpc, esté aumentando. Imagina una galaxia distante a cualquier distancia de nosotros. Deje que sea una distancia de 10 Mpc, entonces la velocidad de expansión será de 670 km / s.
A tal velocidad, cierta galaxia se aleja de nosotros. A medida que el universo se expande, se vuelve menos denso y la densidad de energía disminuye. Dado que la tasa de expansión depende de la densidad de energía, también cae. Pero como el Universo se ha expandido todo este tiempo, la galaxia que estamos siguiendo se alejará de nosotros.Piénselo: la velocidad de expansión en el futuro es menor, pero los objetos específicos están más lejos de nosotros. Si necesitamos calcular la velocidad aparente del objeto a medida que avanzamos hacia el futuro, necesitamos multiplicar estos dos números, entonces la pregunta es, ¿qué cambia más rápido? ¿La velocidad de expansión disminuye o aumenta la distancia al objeto?
Y esto depende de qué porcentaje de la energía del Universo esté en forma de materia y radiación, cuya densidad disminuye con el tiempo, y qué porcentaje está contenido en forma de constante cosmológica, cuya densidad permanece sin cambios. Veamos cómo la materia, la radiación y la energía oscura (constante cosmológica) cambian con el tiempo.
Ahora la energía oscura domina en el Universo, por lo tanto, la velocidad de expansión no cae tan rápido como la distancia aumenta: para cuando la velocidad de expansión caiga en un 10%, el objeto estará dos veces más lejos de nosotros que ahora, es decir, se está acelerando. Pero en el pasado, el universo tenía mucha menos energía oscura como porcentaje, y mucha más materia. E incluso antes, la radiación prevaleció sobre ellos. Cuando había más materia o radiación, la velocidad de expansión disminuía más rápido y el Universo disminuía su velocidad. ¡Hoy en día, 13.800 millones de años después del nacimiento, solo relativamente recientemente hubo un momento en que los objetos que se movían de nosotros comenzaron a hacerlo con aceleración!
Matemáticamente, la transición de la desaceleración con la que el Universo ha estado lidiando durante los primeros miles de millones de años a la aceleración que ha tenido lugar en los últimos miles de millones de años ocurre cuando la densidad de la energía oscura alcanza la mitad de la densidad total de la materia. Ahora acaba de cruzar la marca el doble que la densidad de la materia, por lo tanto, la aceleración ha estado ocurriendo durante mucho tiempo, ya que el tamaño del Universo era el 62% de la actual. Después de un pequeño cálculo y recurriendo a la astrofísica, podemos calcular la edad del Universo en el que pasó por un punto crítico: resulta que esto sucedió cuando tenía 7.800 millones de años, o hace unos 6.000 millones de años, 1.500 millones de años antes de la formación del Solar. sistemaSi exprimimos toda la historia del Universo a un año calendario, entonces el comienzo de la aceleración del Universo caerá el 27 de julio.
Este número es muy sensible a pequeños cambios en los parámetros de densidad de materia, energía oscura y tasa de expansión. Si los cambia en un 2-3%, ¡el tiempo del final de la desaceleración y el comienzo de la aceleración puede cambiar en 1-2 mil millones de años! La energía oscura no dominó el Universo durante otros 1.900 millones de años (recuerde, en el momento de la transición de la desaceleración a la aceleración, su cantidad es la mitad que la de la materia), ¡y deben pasar otros 4! Mil millones de años antes de alcanzar la cantidad actual, cuando es el doble de lo que importa.Pero aquí vivimos en un universo tan acelerado, ¡y fue entonces cuando ocurrió la transición! Gracias por la gran pregunta, y si tiene sus ideas, envíelas a nuestra columna. La próxima semana comenzará su segundo año de vida.Source: https://habr.com/ru/post/es395005/
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