La idea del artista de aquellos tiempos del Universo en el que se formaron las primeras estrellas. Debido a su luz y fusiones, emitirán radiación, tanto electromagnética como gravitacional. ¿Pero es la conversión de la materia en energía capaz de crear antigravedad?Hay acertijos en el camino de nuestro conocimiento del Universo, cuya respuesta aún es desconocida para nadie. Materia oscura, energía oscura, inflación cósmica: todas estas ideas son incompletas y no sabemos qué tipo de partículas o campos son responsables de ellas. Es posible, aunque la mayoría de los profesionales consideran poco probable que uno o más de estos acertijos tengan una solución no estándar que ninguno de nosotros espera.
Por primera vez en la historia de la columna "Pregúntele a Ethan", recibí una
pregunta de un premio Nobel ,
John Cromwell Mather , que quiere saber si las estrellas, que convierten la masa en energía, pueden ser responsables de los efectos atribuidos a la energía oscura:
¿Qué le sucede a la gravedad que ejerce una masa que desaparece en el proceso de convertirla en luz y neutrino por reacciones nucleares que ocurren en las estrellas, o cuando la masa se acumula en un agujero negro, o cuando se convierte en ondas gravitacionales? En otras palabras, ¿son las ondas gravitacionales, las ondas electromagnéticas y los neutrinos una fuente de gravedad que coincide exactamente con la masa previamente existente que se convirtió en ellas, o no?
Impresionante idea. Averigüemos por qué.
Ilustración artística de la fusión de dos estrellas de neutrones. La rejilla del espacio-tiempo cubierta por ondas representa ondas gravitacionales emitidas durante una colisión, y los rayos son chorros de rayos gamma que disparan unos segundos después de las ondas gravitacionales (los astrónomos los detectan en forma de estallidos de rayos gamma ). En tal caso, la masa se convierte en dos tipos de radiación.En la teoría general de la relatividad de Einstein, un modelo del Universo que ofrece soluciones exactas se puede construir de unas pocas maneras. Podemos describir con precisión el espacio-tiempo en un universo absolutamente vacío. Si coloca una sola masa en un universo vacío, la tarea se volverá mucho más complicada, pero la solución aún puede escribirse. Y si coloca la segunda masa en dicho universo, la tarea no se resolverá. Solo podemos hacer estimaciones e intentar llegar a una solución numérica. Esta propiedad molestamente compleja del espacio-tiempo, que es tan difícil de describir con precisión, nos hace usar una enorme potencia de computadora, esfuerzo en la investigación teórica y dedicar tanto tiempo a modelar correctamente la fusión de agujeros negros y estrellas de neutrones registrados por
LIGO .
El trabajo de la gravedad está determinado no solo por la ubicación y la magnitud de las masas, sino también por cómo estas masas se mueven entre sí y se aceleran en un campo gravitacional que cambia con el tiempo. En la relatividad general, un sistema que contiene más de una masa no puede determinarse con precisión.Uno de los pocos casos en los que podemos encontrar la solución exacta, describe un universo lleno de la misma cantidad de "sustancia" en todas partes y en todas las direcciones. No importa qué tipo de "sustancia" sea. Puede ser un conjunto de partículas, un líquido, radiación, una propiedad del espacio mismo, un campo con las propiedades deseadas. Puede ser una mezcla de diferentes cosas, por ejemplo, materia normal, antimateria, neutrinos, radiación e incluso materia oscura misteriosa y energía oscura.
Si esto describe su universo, y sabe en qué proporciones tiene todas estas sustancias, solo necesita medir la velocidad de expansión del universo. Después de eso, aprenderá de inmediato cómo se expandió a lo largo de su vida y se expandirá en el futuro. Si sabes en qué consiste el universo y cómo se está expandiendo hoy, puedes averiguar el destino de todo el universo.
Las variantes esperadas del desarrollo del Universo (los tres primeros) corresponden a un universo en el que la materia y la energía luchan con la tasa inicial de expansión. En nuestro Universo observable, la aceleración cósmica está asociada con algún tipo de energía oscura, actualmente inexplicada. Todos estos universos se rigen por las ecuaciones de Friedman .Realizando estos cálculos sobre la base del Universo observado por nosotros hoy, obtenemos que consiste en:
- 68% de energía oscura
- 27% de materia oscura
- 4.9% de materia normal
- 0.1% de neutrinos
- Radiación al 0.01%
Y una cantidad insignificante de otros componentes: curvatura, antimateria, cuerdas cósmicas y todo lo demás que puedas imaginar. La incertidumbre total en las cantidades de los componentes enumerados no supera el 2%. También aprendimos el destino del Universo, que se expandirá para siempre, y su edad: 13.8 mil millones de años a partir del Big Bang. Este es un logro notable de la cosmología moderna.
Cronología ilustrada de la historia del universo. Si la cantidad de energía oscura es lo suficientemente pequeña como para permitir que se formen las primeras estrellas, entonces la aparición en el universo de los ingredientes necesarios para la vida es casi inevitable. Y nuestra existencia confirma este hecho.Pero todos estos cálculos se llevan a cabo sobre la base de nuestro modelo del Universo, aproximando la distribución uniforme de sustancias en todo el Universo en todas las direcciones. En el Universo real, como habrás notado, todo se desmorona. Hay planetas, estrellas, cúmulos de gas y polvo, plasma, galaxias, cúmulos de galaxias y los
grandes hilos cósmicos que los conectan. Hay enormes
vacíos cósmicos, que a veces se extienden a miles de millones de años luz. Un universo matemáticamente perfectamente uniforme se llama homogéneo, y nuestro universo es sorprendentemente no homogéneo. Es posible que todas nuestras ideas, sobre la base de las cuales hicimos las conclusiones indicadas, sean incorrectas.
Las simulaciones (rojo) y las observaciones de galaxias (azul / magenta) muestran los mismos patrones de conglomerados a grandes escalas. En pequeña escala, el universo no es homogéneo.Sin embargo, en la escala más grande, el Universo es homogéneo. Si observa las escalas pequeñas, el tamaño de una estrella, galaxia o cúmulo galáctico, encontrará la presencia de áreas de densidad mucho más alta o más baja en comparación con el valor promedio. Pero si estudias la escala del tamaño de 10 mil millones de años luz, el Universo parece en promedio aproximadamente el mismo en todos los lugares. En las escalas más grandes, el universo es más del 99% homogéneo.
Afortunadamente, podemos evaluar numéricamente cuán buenas (o malas) son nuestras suposiciones calculando el resultado de la exposición a perturbaciones no homogéneas sobre la homogeneidad a gran escala. Yo mismo hice
tales cálculos en 2005 y descubrí que la contribución de la falta de homogeneidad a la tasa de expansión no supera el 0,1%, y que no se comporta como la materia oscura.
Contribuciones fraccionarias de la energía potencial gravitacional W (línea con un guión largo) y la energía cinética K (línea continua) a la densidad de energía total del Universo, construida en función de la expansión pasada y futura del Universo, donde hay materia pero no energía oscura. Una línea de guión corta indica la suma de las contribuciones de factores no homogéneos. Las líneas discontinuas muestran los resultados obtenidos de la teoría de las perturbaciones lineales.Pero una posibilidad más está conectada con estos cálculos: ciertos tipos de energía pueden cambiar de una forma a otra con el tiempo. En particular, gracias a:
- quemando combustible nuclear dentro de estrellas,
- los colapsos gravitacionales de nubes convirtiéndose en objetos densos,
- la fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros,
- enfoque espiral de muchos sistemas gravitacionales,
la materia o masa puede convertirse en radiación o energía. En otras palabras, es posible cambiar el comportamiento de la gravedad en el Universo e influir en su expansión (o compresión) con el tiempo.
Aunque hemos observado la fusión de los agujeros negros en el Universo muchas veces, sabemos que hay aún más de ellos. LISA nos permitirá predecir, a veces en unos pocos años, cuándo ocurrirá exactamente la fusión de los agujeros negros supermasivos.Cuando dos agujeros negros se fusionan, una parte bastante significativa de la masa puede convertirse en energía: carne hasta un 5%. En la primera fusión de dos agujeros negros descubiertos por LIGO, BH en 36 masas solares y BH en 29 masas solares se fusionaron y formaron un BH con una masa de 62 masas solares. ¿Qué pasó con 3 masas solares? Se convirtieron en energía en forma de ondas gravitacionales, de acuerdo con E = mc
2 de Einstein.
Por lo tanto, la pregunta se reduce a lo siguiente: ¿cómo afecta la transición de la masa a la radiación a la expansión del universo? En un
trabajo reciente, Nick Gorkavy y Alexander Vasilkov afirman que puede crear una fuerza antigravedad repulsiva.
Simulación por computadora de la fusión de dos agujeros negros, generando ondas gravitacionales. Cuando la masa se convierte en radiación, ¿es posible la fuerza repulsiva?Desafortunadamente, esta declaración se basa en lo que parece ser antigravedad. Cuando tenemos una cierta cantidad de masa, experimentamos una cierta atracción gravitacional: esto es cierto tanto en la teoría de Einstein como en la teoría de la gravedad de Newton. Si convierte la masa en energía y la irradia hacia afuera a la velocidad de la luz, con la que se mueve toda la radiación sin masa, entonces cuando esta radiación vuela más allá de nosotros, descubriremos que la fuerza de atracción hacia la masa se debilita repentinamente.
La curvatura de los cambios espacio-temporales, y donde experimentamos por primera vez una atracción gravitacional de cierta magnitud, comenzaremos a experimentar una atracción un 5% menos. Matemáticamente, esto es equivalente a la aparición de una fuerza repulsiva y antigravitacional en el sistema. Pero, de hecho, experimentarás esta atracción reducida debido a la conversión de masa en energía, y la gravedad de la radiación actúa de manera diferente (especialmente cuando te pasa). Esto se ha
descrito con bastante claridad [en respuesta al trabajo anterior].
Cualquier objeto o forma, física o no física, se distorsionará cuando las ondas gravitacionales lo atraviesen. Cada vez, cuando una gran masa se mueve con aceleración a través de una sección de espacio-tiempo curvado, las ondas gravitacionales se convierten en una consecuencia inevitable de este movimiento. Sin embargo, podemos calcular el efecto de esta radiación en el espacio, y no produce repulsión ni expansión acelerada.¡Podemos ir aún más lejos y calcular cómo esta transformación afecta a todo el Universo! Podemos evaluar numéricamente la contribución de las ondas gravitacionales a la densidad de energía del Universo, y
qué parte de la energía del Universo es radiación de todo tipo . La radiación, como la masa, se cuantifica, por lo que con un aumento en el volumen del Universo (como la distancia en un cubo), la densidad de partículas disminuye (inversamente proporcional al cubo de la distancia). Pero, a diferencia de la masa, la radiación tiene una longitud de onda, y con la expansión del espacio, esta longitud aumenta y la frecuencia disminuye inversamente con la distancia. La radiación se vuelve gravitacionalmente menos importante más rápido que la materia.
También necesitamos obtener la ecuación de estado correcta. La materia y la radiación cambian con el tiempo, pero la energía oscura mantiene una densidad constante en todo el espacio a medida que el universo se expande. Avanzando en el tiempo, vemos que el problema solo empeora; La energía oscura domina cada vez más, la materia y la radiación se vuelven cada vez menos importantes.
La materia y la radiación llevan una fuerza atractiva y ralentizan el Universo, pero ninguno de estos fenómenos puede permanecer dominante en la densidad de energía mientras el Universo se expande.
Área sombreada azul: posibles incertidumbres en la densidad de la energía oscura en el pasado y en el futuro. Los datos indican que esta es una constante cosmológica verdadera, mientras que no renunciamos a otras posibilidades. Desafortunadamente, la conversión de la materia en energía no puede desempeñar el papel de la energía oscura; lo que antes se comportaba como materia ahora se comporta como radiación.Si queremos crear un universo con expansión acelerada, entonces, a juzgar por nuestro mejor conocimiento, necesitaremos una nueva forma de energía, diferente de la ya conocida. Llamamos a esta forma energía oscura, aunque no estamos 100% seguros de su naturaleza.
Sin embargo, a pesar de nuestra ignorancia en esta área, podemos determinar muy claramente qué energía oscura no es. Estas no son estrellas que queman combustible; no es materia emitiendo ondas gravitacionales; Estas no son consecuencias del colapso gravitacional; No es el resultado de fusiones o acercamientos en espiral. Es posible que alguna nueva ley de gravedad eventualmente reemplace las leyes de Einstein, pero en el contexto de la relatividad general, es imposible explicar nuestras observaciones actuales con la ayuda de la física conocida. Tenemos que descubrir algo realmente nuevo.