🚶🏻 🕧 👛 Preguntas frecuentes sobre la energía oscura ✂️ 🤲 🕴️

[ Sean Michael Carroll - cosmólogo, profesor de física, especializado en energía oscura y relatividad general, estudia en el Departamento de Física del Instituto de Tecnología de California - aprox. perev. ]

¿Qué es la energía oscura?

Esto es lo que hace que el universo se acelere si, de hecho, hay una determinada entidad con dicha propiedad.

Aparentemente, debería preguntar: ¿qué significa la "aceleración" del Universo?

Primero, el universo se está expandiendo: Hubble ha demostrado que las galaxias distantes huyen de nosotros a velocidades aproximadamente proporcionales a su distancia. "Aceleración" significa que si mides la velocidad de una de estas galaxias, y luego vuelves a ella en mil millones de años, y vuelves a medir la velocidad, verás que ha aumentado. Las galaxias se alejan de nosotros con una velocidad cada vez mayor.

Pero esta es una especie de explicación en palabras simples. ¿Se puede explicar esto de manera más abstracta y científica?

La distancia relativa entre galaxias distantes se puede resumir en un solo indicador, el "factor de escala", a menudo escrito como a (t) o R (t). Esto, de hecho, es el "tamaño" del Universo, aunque no del todo, ya que el Universo puede ser infinitamente grande. Más precisamente, este es el tamaño relativo del espacio de un momento a otro. La expansión del universo significa un aumento en el factor de escala con el tiempo. La aceleración del universo significa su aumento con la aceleración, es decir, con una segunda derivada positiva.

¿Significa esto que la constante de Hubble, que mide la tasa de expansión, está aumentando?

No La "constante" de Hubble (o "parámetro de Hubble", ya que cambia con el tiempo) describe la tasa de expansión, pero esto no es solo una derivada del factor de escala: es una derivada dividida por el coeficiente en sí. Por qué Porque de esta manera se vuelve adimensional y no cambia con el cambio de acuerdos. La constante de Hubble es un multiplicador que muestra la tasa de cambio del factor de escala del universo.

Si el universo se ralentiza, la constante de Hubble disminuye. Si la constante de Hubble aumenta, el universo se acelera. Pero hay un modo intermedio en el que el Universo se expande, pero la constante de Hubble disminuye, y creemos que nuestro Universo vive en este modo. Las velocidades de las galaxias individuales están aumentando, pero duplicar el tamaño del universo lleva más y más tiempo.

En otras palabras: la ley de Hubble correlaciona la velocidad de una galaxia v con la distancia d en la ecuación v = H * d. Esta velocidad puede aumentar incluso si disminuye el parámetro Hubble; si disminuye más lentamente de lo que crece la distancia.

¿Pero los astrónomos realmente esperaron mil millones de años para volver a medir las velocidades de las galaxias?

No Medimos las velocidades de galaxias muy distantes. A medida que la luz viaja a una velocidad fija, un año luz por año, miramos al pasado. La reconstrucción de la historia de las velocidades y sus diferencias en el pasado nos revela el hecho de la aceleración del Universo.

¿Y cómo medir la distancia a una galaxia distante?

Esto no es facil. El método más confiable es a través de una "vela estándar", un objeto bastante brillante que se puede ver desde lejos y cuyo brillo se conoce de antemano. Luego puede calcular la distancia a él, simplemente midiendo su brillo. Cuanto más débil es, más lejos.

Desafortunadamente, las velas estándar no existen.

Entonces, ¿qué hicieron?

Afortunadamente, tenemos un método ligeramente inferior: velas estandarizadas. Un tipo especial de supernova , tipo Ia , es muy brillante, y no del todo, pero tiene el mismo brillo. Afortunadamente, en la década de 1990, Mark Philips descubrió la increíble relación entre el brillo intrínseco y el tiempo que tarda una supernova en desvanecerse después de alcanzar el brillo máximo. Como resultado, si medimos el brillo y disminuye con el tiempo, podemos corregir esta diferencia y construir una escala de brillo universal que se pueda usar para medir distancias.

¿Y por qué las supernovas de tipo Ia resultaron ser velas estandarizadas?

Definitivamente no estamos seguros, básicamente, todo se calcula empíricamente. Pero hay una idea: creemos que estas supernovas surgen cuando las enanas blancas atraen materia del exterior hasta que alcanzan el límite de Chandrasekhar y explotan. Y dado que esta restricción es la misma en todo el Universo, no es sorprendente que las supernovas tengan un brillo similar. Es probable que las desviaciones se deban a diferentes composiciones estelares.

Pero, ¿cómo sabes cuándo ocurrirá una supernova?

De ninguna manera Raramente aparecen, aproximadamente una vez cada cien años para una galaxia promedio. Por lo tanto, debe mirar de inmediato a un montón de galaxias con cámaras de gran angular. Específicamente, se comparan las imágenes del cielo tomadas en diferentes puntos en el tiempo, separadas por varias semanas entre sí (generalmente las imágenes se toman en la luna nueva cuando el cielo está más oscuro), es el momento en que una supernova necesita agregar dramáticamente brillo. Usando computadoras, las imágenes se comparan en busca de nuevos puntos brillantes. Estos puntos se estudian para determinar si se trata de supernovas de tipo Ia. Esto, por supuesto, es muy difícil, y sería imposible si no fuera por varias de las últimas innovaciones tecnológicas: cámaras con sensores CCDy telescopios gigantes. Hoy, puede estar seguro de que, como resultado de las observaciones, se pueden recolectar supernovas en docenas, pero cuando Perlmutter comenzó a trabajar con su grupo, esto no era del todo obvio.

¿Y qué descubrieron al hacer tal trabajo?

La mayoría de los astrónomos (casi todos) esperaban que el Universo se desacelerara: las galaxias se atraerían entre sí a través de la gravedad, lo que ralentizaría su movimiento. Pero resultó que las supernovas distantes parecen más débiles de lo esperado, una señal de que se encuentran más lejos de lo previsto, es decir, que el Universo se está acelerando.

¿Por qué los cosmólogos aceptaron tan rápidamente este resultado?

Incluso antes del anuncio de los resultados en 1998, estaba claro que algo andaba mal con el universo. Era como si la edad del Universo fuera menor que la edad de sus estrellas más antiguas. La materia era menos de lo que los teóricos predijeron. A gran escala, las estructuras no eran tan pronunciadas. El descubrimiento de la energía oscura resolvió todos estos problemas de una sola vez. Todo cayó en su lugar. Por lo tanto, aunque las personas fueron bastante cautelosas, después de esta observación, el Universo se volvió mucho más claro.

Pero, ¿cómo sabemos que las supernovas no se ven más tenues no porque estén oscurecidas por algo o porque todo era diferente en el pasado?

La pregunta es legítima, y dos equipos que estudian supernovas trabajaron muy activamente en su análisis. Nunca puede estar 100% seguro, pero puede recibir constantemente nuevas confirmaciones. Por ejemplo, los astrónomos saben desde hace mucho tiempo que la materia oscura dispersa la luz azul con mayor facilidad que la roja, como resultado de lo cual las estrellas detrás de las nubes de gas y polvo "se sonrojan". Puede buscar ese enrojecimiento, y en el caso de las supernovas, resulta insignificante. Además, ahora tenemos una gran cantidad de evidencia independiente que lleva a la misma conclusión, por lo que parece que las mediciones iniciales usando supernovas no nos mintieron.

¿Es cierto que hay evidencia independiente de la existencia de energía oscura?

Oh si El argumento más simple es la resta. La radiación reliquia nos dice la cantidad total de energía, incluida la materia, en el Universo. Las mediciones locales de galaxias y cúmulos dan la cantidad total de materia. Resulta que la materia existe solo el 27% de la energía total, lo que nos deja con el 73% en forma de algún tipo de sustancia invisible para nosotros, pero no importa: "energía oscura". Esta cantidad es suficiente para explicar la aceleración del universo. Otra evidencia son las oscilaciones acústicas de bariones (ondas en estructuras a gran escala cuyo tamaño ayuda a estudiar la historia de la expansión del Universo) y la evolución de las estructuras a medida que se expanden.

Bueno, ¿y qué es la energía oscura?

Me alegra que hayas preguntado! La energía oscura tiene tres propiedades principales. En primer lugar, está oscuro. No lo vemos, y por lo que nos dicen las mediciones, no interactúa con la materia (si interactúa, excede las posibilidades de nuestras observaciones). En segundo lugar, se distribuye de manera uniforme. No se acumula en galaxias y cúmulos, o lo descubriríamos estudiando su dinámica. En tercer lugar, es constante. La densidad de la energía oscura (la cantidad de energía por año luz cúbico) permanece constante a medida que el universo se expande. No se disipa, como la materia.

Las dos últimas propiedades nos permiten llamarlo "energía" y no "materia". La energía oscura no se comporta como partículas con dinámica local y dispersión a medida que el universo se expande. La energía oscura es otra cosa.

Interesante historia. ¿Y qué puede ser exactamente la energía oscura?

El principal candidato para este lugar es el más simple: "energía de vacío" o "constante cosmológica". Como sabemos que la energía oscura está distribuida de manera uniforme y constante, lo primero que viene a la mente es que está perfectamente distribuida y perfectamente constante. Esta será la energía del vacío: una cantidad fija de energía que posee cada pieza de espacio, y que no cambia ni cuando se mueve de un lugar a otro, ni con el tiempo. Cien millones de erga por centímetro cúbico, si está interesado.

Pero, ¿la energía del vacío no es diferente de una constante cosmológica?

Si No le creas a nadie que niegue esto. Cuando a Einstein se le ocurrió esta idea, no la consideró como "energía", pensó en ella como una modificación de la forma en que la curvatura del espacio-tiempo interactúa con la energía. Pero resulta que esto es lo mismo. Si alguien no cree esto, pregunte qué observaciones va a distinguir entre sí.

¿La energía del vacío no se deriva de las fluctuaciones cuánticas?

En realidad no Toda una montaña de todos los fenómenos puede crear la energía del espacio vacío, y algunos de ellos son completamente clásicos y no tienen nada con fluctuaciones cuánticas. Pero las fluctuaciones cuánticas también se agregan a los fenómenos clásicos que conducen a la aparición de esta energía. Son bastante fuertes, y esto nos lleva al problema de la constante cosmológica.

¿Cuál es el problema de la constante cosmológica?

Si solo conociéramos la mecánica clásica, entonces la constante cosmológica sería solo un número, no habría razón para que fuera especialmente grande o pequeña, positiva o negativa. Simplemente lo mediríamos y nos calmaríamos.

Pero nuestro mundo no es clásico, sino cuántico. Y en la teoría cuántica de campos, las cantidades clásicas deben sufrir correcciones cuánticas. En el caso de la energía del vacío, estas correcciones tienen la forma de la energía de las partículas virtuales, cuyas fluctuaciones se producen en el vacío del espacio vacío.

Podemos sumar la cantidad de energía resultante de estas fluctuaciones y obtener infinito. Esto, aparentemente, no es cierto, y sospechamos que estamos exagerando el cálculo. Por ejemplo, este cálculo aproximado incluye fluctuaciones de todos los tamaños, incluidas longitudes de onda menores que la longitud de Planck, en las cuales, tal vez, el espacio-tiempo pierde su confiabilidad conceptual. Si solo sumamos las longitudes de onda más largas que la longitud de Planck, obtenemos una estimación de la constante cosmológica.

Y como resultado, 10 ¹²⁰ más que el valor observado sale . Esta diferencia es el problema de la constante cosmológica.

¿Por qué la constante cosmológica es tan pequeña?

Nadie lo sabe Si bien no pudimos trabajar con supernovas, muchos físicos creían en la existencia de simetría oculta o un mecanismo dinámico que restablece la constante cosmológica, ya que estábamos seguros de que era inferior a nuestras estimaciones. Ahora debemos explicar por qué es pequeño y por qué no es cero. Y, además, hay un problema de coincidencia: ¿por qué coinciden los órdenes de magnitud de la densidad de la energía oscura y la materia?

Así de malo es: en este momento, la mejor explicación para el significado de la constante cosmológica es el principio antrópico. Si vivimos en un multiverso en el que los valores de la energía del vacío difieren en diferentes áreas, podemos decir que la vida puede existir (así como hacer observaciones y ganar premios Nobel) solo en aquellas áreas en las que la energía del vacío es mucho menor de lo estimado. Si fuera grande y positivo, las galaxias e incluso los átomos serían destrozados. Si fuera grande y negativo, el Universo volvería a colapsar rápidamente. En tales situaciones, un observador típico recibiría un valor cercano al observado. Steven Weinberg hizo esta predicción en 1988, mucho antes del descubrimiento de la aceleración del universo. Pero no abogó por ello, simplemente dijo que "si todo es así, entonces veremos algo como lo siguiente".Hay muchos problemas con estos cálculos, especialmente cuando comenzamos a involucrar a "observadores típicos", incluso si creemos en la existencia del multiverso. Me agrada reflexionar sobre el multiverso, pero soy bastante escéptico sobre nuestra capacidad de hacer predicciones sobre las cantidades observables relacionadas con esta plataforma teórica.

Necesitamos una fórmula simple que prediga una constante cosmológica en función de todas las demás constantes de la naturaleza. No lo tenemos, pero tratamos de sacarlo. Las opciones propuestas funcionan con la gravedad cuántica, dimensiones adicionales, agujeros de gusano, supersimetría, no localidad y otras ideas interesantes, pero especulativas. Hasta ahora nada ha echado raíces.

¿Ha influido algún experimento en el desarrollo de la teoría de cuerdas?

Sí: aceleración del universo. Antes de esto, los teóricos asumieron la necesidad de describir el universo con energía de vacío cero. Cuando hubo una posibilidad de distinguirlo de cero, surgió la pregunta de si este hecho podría ser empujado a la teoría de cuerdas. Resultó que esto no es tan difícil de hacer. El problema es que si encuentra una solución, hay una cantidad absurdamente grande de otras. Tal panorama de la teoría de cuerdas mata la esperanza de una solución única que pueda explicar el mundo real. Eso sería bueno, pero la ciencia tiene que tomar lo que ofrece la naturaleza.

¿Cuál es el problema de la coincidencia?

Con la expansión del Universo, la materia se vuelve borrosa y la densidad de la energía oscura permanece constante. Esto significa que la densidad relativa de la energía oscura y la materia varía mucho con el tiempo. Había más materia en el pasado, en el futuro dominará la energía oscura. Pero hoy están aproximadamente igualmente divididos. Cuando los números pueden diferir ^10.100 veces o más, no se considera una diferencia de tres veces. ¿Por qué somos tan afortunados de nacer cuando hay suficiente energía oscura para ser descubierta, y no lo suficiente para hacer que tales intentos merezcan el Nobel? O esto es una coincidencia (por qué no), o vivimos en un momento especial. En parte por esta razón, las personas están tan ansiosas por aceptar el principio antrópico. El universo resulta ser inconsistente.

Si la energía oscura tiene una densidad constante y el espacio se expande, ¿significa esto que la energía no se conserva?

Sí, y eso está bien.

¿Cuál es la diferencia entre la energía oscura y la energía del vacío?

La energía oscura es el término generalmente aceptado para una sustancia uniformemente distribuida y constante que hace que el universo se acelere. La energía de vacío es uno de los candidatos para el papel de la energía oscura, idealmente distribuida y constante.

Entonces, ¿hay otros candidatos para el papel de la energía oscura?

Si Solo necesita algo bastante uniformemente distribuido y constante. Resulta que la mayoría de estas cosas pierden su densidad, por lo que encontrar fuentes de energía constante no es fácil. La mejor y más simple de las ideas es la quintaesencia, solo un campo escalar que llena el universo y que cambia lentamente con el tiempo.

¿Es natural la idea de la quintaesencia?

No especialmente Originalmente se planeó que al observar algo dinámico y cambiante, y no solo fijo, puede encontrar una explicación inteligente de por qué la energía oscura es tan débil, y el problema de la coincidencia también se puede explicar. Pero estas esperanzas no se materializaron.

Solo se agregaron nuevos problemas. Según la teoría del campo cuántico, a los campos escalares les gusta ser pesados. Pero en el caso de la quintaesencia, el campo escalar debe ser poco realista, ^10-30en peso del neutrino más ligero (pero no cero). Y este es un problema, y el segundo: un campo escalar ligero debe interactuar con la materia ordinaria. Incluso si tal interacción fuera frágil, debería ser posible detectarla, pero no la encontraron. Por supuesto, esto no es solo un problema, sino también una oportunidad: quizás los mejores experimentos encontrarán "el poder de la quintaesencia", y finalmente nos ocuparemos de la energía oscura.

¿De qué otra forma podemos probar la idea de la quintaesencia?

Directamente: use supernovas, solo que más inteligentes. En general: para construir un mapa de la expansión del Universo con tal precisión que se pueda ver si la densidad de la energía oscura cambia con el tiempo. Por lo general, esto se representa como un intento de medir el parámetro w de la ecuación de estado de energía oscura. Si w es -1, entonces la energía oscura es constante: esta es la energía del vacío. Si w es un poco más de -1, la densidad de la energía oscura disminuye. Si es ligeramente menor que -1 (por ejemplo, -1.1), entonces aumenta la densidad de la energía oscura. Por muchas razones teóricas, esto es peligroso , pero aún necesitamos hacer un seguimiento de esto.

¿Qué es w?

Se llama el parámetro de la ecuación de estado, porque conecta la presión de la energía oscura p con su densidad de energía ρ, a través de w = p / ρ. Por supuesto, nadie mide la presión de la energía oscura, por lo que la definición es bastante estúpida, pero este es solo un caso histórico. Lo que importa es cómo cambia la energía oscura con el tiempo, pero en GTR esto está directamente relacionado con el parámetro de la ecuación de estado.

¿Significa esto que la presión de la energía oscura es negativa?

Exactamente La presión negativa significa que la sustancia tira, no empuja, como un resorte alargado que tira hacia adentro desde ambos extremos. Esto a menudo se llama tensión. Por lo tanto, propuse el término "tensión suave" en lugar de "energía oscura", pero llegué tarde.

¿Por qué la energía oscura acelera el universo?

Porque es constante Einstein dice que la energía hace que el espacio-tiempo se doble. En el caso del Universo, esta curvatura se manifiesta en forma de una curvatura del espacio (y no del espacio-tiempo) y la expansión del Universo. Medimos la curvatura del espacio, y es esencialmente cero. Por lo tanto, la energía constante conduce a una tasa de expansión constante. En particular, el parámetro de Hubble está cerca de la constante, y si recuerda la ley de Hubble, v = H * d, comprenderá que si H es casi constante, entonces v aumentará debido al aumento de las distancias. Ahí lo tienes.

Si la presión negativa es como la tensión, ¿por qué no une todo y lo empuja hacia los lados?

A veces puedes escuchar expresiones como "la energía oscura acelera el universo debido a la presión negativa". Estrictamente hablando, lo es, pero es un poco lo contrario: tal expresión solo da la ilusión de comprensión. Se le dice que "la fuerza de la gravedad depende de la densidad y la presión triple, por lo que si la presión es igual y opuesta a la densidad, la gravedad se repelerá". Suena razonable, pero nadie le explicará por qué la gravedad depende de la densidad y la presión triple. Y en general, no la fuerza de la gravedad depende de esto, sino la expansión local del espacio.

La pregunta es "¿por qué la tensión no une las cosas?" legítimo La respuesta es que la energía oscura no presiona nada y no tira nada. No interactúa con la materia ordinaria, y se distribuye uniformemente en el espacio, por lo que cualquier tensión que ejerza en una dirección se compensará exactamente de la misma manera en el opuesto. El universo se acelera por el efecto indirecto de la energía oscura, trabajando a través de la gravedad.

De hecho, la energía oscura hace que el universo se acelere porque es constante.

¿La energía oscura parece antigravedad?

No La energía oscura no es antigravedad, sino simplemente gravedad. Imagine un mundo con cero energía oscura, con la excepción de dos burbujas de energía oscura. Estas dos burbujas no se repelen, son atraídas. Pero dentro de las burbujas, la energía oscura empuja el espacio y se expande. Tales son las maravillas de la geometría no euclidiana.

¿Es esta una nueva fuerza repulsiva?

No Este es solo un nuevo tipo de fuente de poder antiguo: la gravedad. No hay nuevas fuerzas.

¿Cuál es la diferencia entre la energía oscura y la materia oscura?

Estas son cosas completamente diferentes. La materia oscura es una partícula, aún no descubierta por nosotros. Sabemos acerca de su existencia, porque vemos cómo afecta con la gravedad a varios objetos (galaxias, cúmulos, estructuras a gran escala, radiación residual). Es el 23% del universo. Pero, de hecho, este es el viejo asunto, uno que nosotros (hasta ahora) no podemos solucionar. Se acumula bajo la influencia de la gravedad y se disipa durante la expansión del Universo. La energía oscura, por otro lado, no se acumula ni se disipa. No está hecho de partículas, es algo completamente diferente.

¿O tal vez no hay energía oscura, solo necesita corregir ligeramente la gravedad en una escala cosmológica?

Es posible Hay al menos dos enfoques populares para esta idea: la gravedad f®, que Mark Philips y yo ayudamos a desarrollar, y la gravedad DGP: Dvali, Gabadadze y Porati. El primer enfoque es fenomenológico, en él la ecuación de campo de Einstein simplemente cambia corrigiendo la acción en cuatro dimensiones, y el segundo usa medidas adicionales que solo se pueden corregir a grandes distancias. Ambos tienen problemas, no necesariamente insuperables, pero graves, con nuevos grados de libertad y la inestabilidad que los acompaña.

La gravedad modificada vale la pena considerar. Pero, como en el caso de la quintaesencia, crea más problemas de los que resuelve, al menos por ahora. Prefiero las siguientes predicciones de posibilidades de éxito: constante cosmológica: 0.9, energía oscura dinámica = 0.09, gravedad modificada = 0.01.

¿Qué dice la energía oscura sobre el futuro del universo?

Depende de lo que sea la energía oscura. Si es una constante cosmológica eterna, entonces el Universo continuará expandiéndose, fresco y vacío. Como resultado, no quedará nada más que espacio vacío.

La constante cosmológica puede ser constante temporalmente; es decir, puede ocurrir una transición de fase en el futuro, después de lo cual la energía del vacío disminuirá. Entonces el universo puede volver a colapsar.

Si la energía oscura es dinámica, entonces todo es posible. Si es dinámico y está aumentando (w menor que -1 siempre), incluso podemos obtener una gran brecha .

Que sigue

Nos gustaría tratar con la energía oscura (o la gravedad modificada) a través de observaciones cosmológicas mejoradas. Esto significa medir el parámetro de la ecuación de estado, así como mejorar las observaciones de la gravedad en galaxias y cúmulos para comparar diferentes modelos. Afortunadamente, mientras proyectos ambiciosos de ciencia están siendo abandonados en los Estados Unidos, la Agencia Espacial Europea está desarrollando un satélite para medir la energía oscura . Desarrollado y proyectos de investigación con base en tierra, y un gran telescopio panorámica (Gran Telescopio para Rastreos Sinópticos) nos debe dar mucho después de su lanzamiento.

Pero la respuesta puede ser aburrida: la energía oscura será una constante cosmológica simple. Este es solo un número y ¿qué se puede hacer con él? En este caso, obviamente necesitamos teorías mejoradas, así como contribuciones de fuentes de datos empíricas relacionadas: aceleradores de partículas, búsquedas de quinta fuerza, pruebas de gravedad, siempre que pueda obtener información sobre cómo se combinan la teoría del espacio-tiempo y el campo cuántico en una base nivel.

Lo bueno de la ciencia es que al final del libro no hay respuestas correctas; en primer lugar, debes cavarte a ti mismo. Y la energía oscura es uno de los mayores desafíos.

Preguntas frecuentes sobre la energía oscura