Geekly articles weekly

Pregúntele a Ethan No. 59: ¿Qué es la energía oscura?

El universo, por supuesto, se está expandiendo, y esta expansión se está acelerando. Pero, ¿qué sabemos sobre este proceso además del simple nombre de "energía oscura"?


Al elegir entre la desesperación y la energía, elegiré lo último
- John Keats


Durante toda la semana te esforzaste para hacer una pregunta profunda y misteriosa sobre el Universo, y recibimos muchas preguntas geniales. Es una pena que solo pueda elegir una de ellas. Esta semana, el honor es para Piusz Gupte, quien pregunta:

Aprendimos que la energía oscura representa aproximadamente el 70% de la energía del universo. Tenemos evidencia de su existencia a través de varias observaciones. Y realmente afecta la evolución del universo. Pero, ¿qué es la energía oscura? ¿Tenemos alguna idea? ¿Hay modelos aceptables para ella?

Y realmente tenemos un par de buenas ideas, pero primero comparemos nuestro conocimiento.



Lo primero que debe aceptar es el concepto de espacio-tiempo, así como la idea más importante de la teoría general de la relatividad: la cantidad y el tipo de materia y energía en el Universo están inextricablemente vinculados con la evolución del espacio-tiempo a medida que el Universo se mueve en el tiempo. Antes de Einstein se creía que el espacio y el tiempo son constantes y fijos. Por un lado, hay espacio que se puede representar como una cuadrícula tridimensional estática, y por otro, hay tiempo, un continuo fijo separado a través del cual todos los puntos del espacio se mueven simultáneamente.

En la relatividad general, todo esto cambia a la vez de dos maneras, y ambas son muy importantes.



Primero, el espacio y el tiempo no se pueden separar entre sí. Todos los objetos se mueven a través del espacio-tiempo entre sí. De la idea de que no solo importa su posición en el espacio y el tiempo, sino también su velocidad, es decir, el movimiento a través del espacio y el tiempo, se sigue el nombre de la teoría de la relatividad. Si tú y yo estamos en el mismo punto en el espacio-tiempo, pero te mueves con respecto a mí a una velocidad considerable, entonces nos movemos de manera diferente no solo a través del espacio, sino también a través del tiempo. De aquí surge la idea de que el reloj funciona a diferentes velocidades para observadores de diferentes marcos de referencia, así como la paradoja de los gemelos.

Por lo tanto, el espacio y el tiempo no son absolutos e independientes entre sí. Todos los objetos se mueven tanto a través del espacio como a través del tiempo, y si te mueves a través del espacio más rápido que otra persona, te mueves a través del tiempo más lento que él. Por lo tanto, cuando vuela en un cohete que se mueve a una velocidad del 99% de la velocidad de la luz durante 9.9 años luz, luego se da la vuelta y regresa a una velocidad del 99% de la velocidad de la luz, encontrará que todos en la Tierra han envejecido 20 años, y usted solo tiene por 3 años



La segunda diferencia es que el espacio-tiempo donde vives ahora, que describe todo el Universo, es diferente del que existía en el momento en que comenzaste a leer esta oración. El universo se expande con el tiempo, y la tasa de expansión está determinada por los diferentes tipos de materia y energía presentes ahora en el universo. La tasa de expansión cambia con el tiempo, ya que la densidad de energía, o la cantidad de materia y energía por unidad de volumen, en materia y radiación disminuye a medida que el universo se expande.

Pero hay otras cosas además de la materia y la radiación en el Universo; Hay muchos otros jugadores, que incluyen:
  • defectos topológicos
  • cuerdas cósmicas
  • límites de dominio
  • curvatura inherente
  • energía espacial inherente
  • campo variable que puede tener propiedades


Lo bueno de GR es la claridad de sus predicciones: solo necesitamos medir la expansión del Universo a lo largo del tiempo, y descubriremos todo sobre qué tipos de materia y energía son, cuáles son sus proporciones y con qué grado de confianza podemos decir que son tal como los imaginamos.



Nuestras observaciones provienen de tres fuentes: en primer lugar, mediciones de distancias a objetos distantes, como estrellas, galaxias y supernovas. Al medir el brillo aparente de los objetos y compararlo con su brillo original, conocido por nosotros, podemos calcular la distancia a ellos. Además, podemos medir su desplazamiento al rojo, lo que nos da una idea de la expansión del universo desde el momento en que la luz fue emitida por ellos. Y esta combinación nos da la oportunidad de comprender cómo la expansión del universo ha cambiado con el tiempo.




El segundo método es la medición de varias fluctuaciones en la radiación de fondo de microondas. Debido a la naturaleza de la interacción de la materia y la energía en el Universo en expansión, y debido a que la radiación residual del Big Bang no se dispersó sobre la materia ionizada, ya que el Universo tenía solo varios cientos de miles de años, podemos obtener una instantánea del estado del Universo en el que era muy por mucho tiempo Pero toda esta luz viajó 13.8 mil millones de años antes que nosotros, y experimentó un desplazamiento hacia el rojo a medida que el Universo se expandió, lo que nos da otra dimensión a toda la historia cósmica de expansión.



Finalmente, uno puede estudiar las estructuras del universo en la escala más grande. Debido a la gran competencia espacial que ha estado ocurriendo todo el tiempo desde el nacimiento del Universo, entre la gravedad, la atracción de materia y la formación de estructuras de contracción y la expansión, que separa todo, podemos estudiar los tamaños, las escalas, las densidades de las estructuras, así como su evolución durante largos períodos. tiempo, que nos da el tercer método de medición.

Al combinar los tres métodos, podemos verificar su conectividad y precisión al mostrar que todos dan el mismo resultado, que coincide con todos los datos. Y tengo buenas noticias para ti: ¡todo es igual!



Con tales herramientas, podemos descubrir en qué consiste el Universo, mientras calculamos el nivel de confianza en estas cifras. Ahora se cree que su composición es la siguiente:
  • 0,01% — ,
  • 4,9% — , ,
  • 27% — , , 0,1%,
  • 68% —


Entonces, ¿qué es esta "energía oscura" como esa?



Por lo que se puede juzgar a partir de las observaciones de la evolución de esta forma de energía, es indistinguible de una constante cosmológica. En la relatividad general, la constante cosmológica es inherente al espacio, por lo que cuando el universo se expande y aparece un nuevo espacio entre las galaxias, la densidad de la energía oscura no disminuye, ¡aunque la densidad de todos los demás simplemente cae! Es por eso que la expansión del universo se está acelerando no solo ahora, sino que continúa haciéndolo durante los últimos 6 mil millones de años.



En la teoría del campo cuántico, la constante cosmológica es equivalente a la energía cero de un vacío cuántico, es decir, el efecto observado probablemente esté relacionado con los campos cuánticos del Universo y la gravedad, aunque todavía no podemos imaginar cómo ponerlo en números.



También se debe reconocer la posibilidad de que la energía oscura no sea una constante cosmológica: podría ser más débil (o más fuerte) en el pasado, o podría volverse más débil (o más fuerte) en el futuro. Pero con la mejora de los métodos de observación, las limitaciones de estas posibilidades se han vuelto muy estrictas.



Es muy fácil parametrizar el cambio en la energía oscura en el tiempo, hasta el primer orden, con el parámetro de la ecuación de estado w. Si w = -1.0, entonces aparece una constante cosmológica a nuestra disposición. Si w = -1/3, tenemos la curvatura del espacio; si w = -2/3, entonces los límites de los dominios y, en principio, el parámetro en general pueden cambiar extrañamente en el tiempo.


La energía oscura es constante cuando w a = 0, w 0 = -1, además, si el valor w 0menos de w a , entonces la energía oscura se amplifica con el tiempo.

Es más fácil aceptar que su valor es constante, y ahora los datos obtenidos nos dan el valor w = -1.02 ± 0.08, lo que, en general, sugiere que se trata de una constante cosmológica, o la energía inherente a espacio, o energía cero de un vacío cuántico, que en sí mismo es mayor que cero. Si de repente resulta que w <-1.0, el Universo terminará su vida con una gran brecha: consideramos esta increíble opción recientemente.



La tarea actual de los astrónomos del siglo XXI (y posiblemente de los siglos siguientes) es descubrir si la ecuación w = -1.0000 se cumple con precisión arbitraria y con un número cada vez mayor de dígitos decimales. Y la tarea de los teóricos es aclarar la cuestión de lo que esto significa para el Universo, o cómo calcular este valor basado en GR o teoría de campo cuántico. Hasta ahora, todos los datos indican una constante cosmológica, pero nunca se sabe de antemano. Esto puede resultar ser un campo escalar, tensor o dinámico, con un comportamiento más complejo de lo que vemos hasta ahora. Pero también puede resultar ser una energía simple inherente al espacio, y en ausencia de observaciones que refuten esta suposición, es mejor poner solo esta opción.

Gracias por la pregunta elegante, Piusz, y por la oportunidad que todos hemos tenido de estudiar un poco más el poder y la fuente de energía del Universo, que es la menos conocida. Todavía hay mucho que aprender, pero a pesar de que este tema sigue siendo uno de los mayores misterios, ¡ya se sabe mucho al respecto! Envíenos sus preguntas para tener la oportunidad de leer la respuesta a su pregunta.

Source: https://habr.com/ru/post/es395145/

More articles:


All Articles