La estructura compleja que vemos hoy, surgió de un estado más pequeño, caliente, denso y uniforme en el pasado. Debe haber alguna nueva forma de energía que impulse la fase actual de expansión acelerada, más allá de la materia y la radiación conocidas. C. Faucher-Giguère, A. Lidz, y L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)
La materia y la energía le dicen al espaciotiempo cómo curvarse; el espaciotiempo curvado le dice a la materia y a la energía cómo moverse. Es la regla cardinal de la Relatividad General, y se aplica a todo lo que hay en el Universo, incluido el propio Universo. A finales de los años 90, habíamos recogido suficientes datos de galaxias distantes en el Universo para concluir que no sólo se estaban alejando de nosotros, sino que su recesión se estaba acelerando. El tejido del espacio no sólo se estaba expandiendo, sino que la expansión se estaba acelerando.
La distancia (eje x) es consistente con un Universo que se expandió más rápido en el pasado, pero que sigue expandiéndose en la actualidad. Esta es una versión moderna, que se extiende miles de veces más allá del trabajo original de Hubble. Nótese el hecho de que los puntos no forman una línea recta, lo que indica el cambio de la tasa de expansión a lo largo del tiempo. Ned Wright, basado en los últimos datos de Betoule et al. (2014)
La única explicación era que tenía que haber más en el Universo, en términos de materia y energía, de lo que habíamos concluido previamente. En un Universo en expansión -como en el que vivimos- no es simplemente la curvatura lo que está determinado por la materia y la energía, sino cómo cambia la tasa de expansión con el tiempo. Los componentes del Universo que conocíamos hasta hace 20 años eran la materia normal, la materia oscura, los neutrinos y la radiación. El Universo puede expandirse perfectamente con ellos, pero las galaxias lejanas sólo deberían ralentizarse.
La observación de la aceleración significaba que había algo más allí, y que no sólo estaba presente, sino que era dominante.
y el Sol en nuestro Sistema Solar, deben ser tenidos en cuenta para cualquier observación que haga una nave espacial u otro observatorio. Los efectos de la Relatividad General, incluso los más sutiles, no pueden ser ignorados. NASA/JPL-Caltech, para la misión Cassini
Físicamente, lo que ocurre en la Relatividad General es que el propio tejido del espacio se curva positiva o negativamente en respuesta a la materia que se agrupa y aglutina en él. Un planeta como la Tierra o una estrella como nuestro Sol harán que el tejido del espacio se deforme, mientras que un objeto más denso y masivo hará que el espacio se curve más severamente. Si todo lo que hay en el Universo son unos pocos cúmulos de materia, esta descripción será suficiente.
Por otro lado, si hay muchas masas en el Universo, repartidas más o menos uniformemente por todo él, todo el espaciotiempo siente un efecto gravitatorio global. Si el Universo no estuviera en expansión, la gravitación haría que todo se colapsara hasta un único punto. El hecho de que el Universo no lo haya hecho nos permite concluir, inmediatamente, que algo ha impedido ese colapso. O bien algo contrarresta la gravedad, o el Universo se está expandiendo.
apoya la imagen del Universo en expansión y del Big Bang. El pequeño número de parámetros de entrada y el gran número de éxitos observacionales y predicciones que se han verificado posteriormente son algunas de las características de una teoría científica exitosa. La ecuación de Friedmann lo describe todo. NASA / GSFC
De aquí surgió la idea del Big Bang. Si vemos materia en cantidades aproximadamente iguales en todas partes, en todas las direcciones y a distancias cercanas, intermedias y lejanas, sabemos que debe haber una fuerza gravitatoria increíblemente grande tratando de juntarlas todas. Dado que el Universo no se ha vuelto a colapsar todavía (y no está en proceso de colapsar), eso deja sólo dos opciones: la gravedad está equivocada, o el Universo se está expandiendo.
Dado que la Relatividad General ha pasado todas las pruebas que hemos lanzado, es difícil afirmar que está equivocada. Especialmente porque, con un Universo lleno de materia y radiación, todo lo que se necesita es una expansión inicial para tener un Universo que está, hoy en día:
- en expansión,
- enfriándose,
- disminuyendo su densidad,
- lleno de luz desplazada al rojo,
- y que tuvo un pasado caliente y denso.
Un Universo que nació caliente, denso y en expansión, pero que estaba lleno de materia y energía, se parecería mucho a la apariencia de nuestro Universo actual.
ilustraciones) todos corresponden a un Universo donde la materia y la energía luchan contra la tasa de expansión inicial. En nuestro Universo observado, una aceleración cósmica es causada por algún tipo de energía oscura, hasta ahora inexplicada. Todos estos Universos se rigen por las ecuaciones de Friedmann. E. Siegel / Más allá de la Galaxia
La expansión comienza rápidamente, y la gravitación trabaja para volver a unir las cosas. Hace pensar que hay tres posibilidades de cómo evolucionará el Universo con el tiempo:
- La gravitación gana: El Universo se expande rápidamente al principio, pero hay suficiente gravedad para volver a juntar las cosas, eventualmente. La expansión alcanza un máximo, se detiene, y da la vuelta para llevar a un recolapso.
- La gravitación y la expansión empatan: La expansión inicial y la gravitación se contrarrestan exactamente. Con un protón más en el Universo, éste recolapsaría, pero ese protón no está ahí. En su lugar, la tasa de expansión asimila a cero y las galaxias distantes simplemente retroceden cada vez más lentamente.
- La expansión gana: La rápida expansión es contrarrestada por la gravedad, pero no lo suficiente. Con el tiempo, las galaxias siguen alejándose unas de otras, y aunque la gravedad ralentiza la expansión, ésta nunca se detiene.
Pero lo que realmente observamos es una cuarta. Vemos que el Universo parecía estar en esa trayectoria «crítica» durante los primeros miles de millones de años, y luego, de repente, las galaxias lejanas empezaron a alejarse más rápido unas de otras. Teóricamente, hay una razón convincente por la que esto podría ser.
Hay una ecuación muy simple (bueno, para la Relatividad) que gobierna cómo se expande el Universo: la primera ecuación de Friedmann. Aunque pueda parecer complicada, los términos de la ecuación tienen significados del mundo real que son fáciles de entender.
escrito hoy (en notación moderna), donde el lado izquierdo detalla la tasa de expansión de Hubble y la evolución del espaciotiempo, y el lado derecho incluye todas las diferentes formas de materia y energía, junto con la curvatura espacial. LaTeX / dominio público
En el lado izquierdo, tienes el equivalente a la tasa de expansión (al cuadrado), o lo que se conoce coloquialmente como la constante de Hubble. (No es realmente una constante, ya que puede cambiar a medida que el Universo se expande o se contrae con el tiempo). Te dice cómo se expande o contrae el tejido del Universo en función del tiempo.
En el lado derecho está literalmente todo lo demás. Está toda la materia, la radiación y cualquier otra forma de energía que compone el Universo. Está la curvatura intrínseca al propio espacio, que depende de si el Universo está cerrado (curvado positivamente), abierto (curvado negativamente) o plano (sin curvatura). Y también está el término «Λ»: una constante cosmológica, que puede ser una forma de energía o puede ser una propiedad intrínseca del espacio.
la constante cosmológica (abajo) evolucionan con el tiempo en un Universo en expansión E. Siegel / Beyond The Galaxy
Estos dos lados deben ser iguales. Pensamos que la expansión del Universo se ralentizaría porque, a medida que el Universo se expande, la densidad de energía (en el lado derecho) disminuye, y por tanto la tasa de expansión del espacio debe disminuir. Pero si se tiene una constante cosmológica o alguna otra forma de energía oscura, la densidad de energía puede no descender en absoluto. Puede permanecer constante o incluso aumentar, y eso significa que la tasa de expansión permanecerá constante o aumentará también.
De cualquier manera, significaría que una galaxia lejana parecería acelerar a medida que se aleja de nosotros. La energía oscura no hace que el Universo se acelere debido a una presión de empuje hacia el exterior o a una fuerza antigravitatoria; hace que el Universo se acelere debido a la forma en que su densidad de energía cambia (o, más exactamente, no cambia) a medida que el Universo continúa expandiéndose.
Nuestro destino actual, en aceleración, mostrado a la derecha. Cuando pase el tiempo suficiente, la aceleración dejará cada estructura galáctica o supergaláctica ligada completamente aislada en el Universo, ya que todas las demás estructuras se aceleran irremediablemente. NASA & ESA
A medida que el Universo se expande, se crea más espacio. Dado que la energía oscura es una forma de energía inherente al espacio, al crear más espacio, la densidad de energía no disminuye. Esto es fundamentalmente diferente de la materia normal, la materia oscura, los neutrinos, la radiación y cualquier otra cosa que conozcamos. Y por lo tanto, impacta en la tasa de expansión de una manera diferente a todos estos otros tipos de materia y energía.
evoluciona/se expande en incrementos de tiempo iguales si tu Universo está dominado por la materia, la radiación o la energía inherente al propio espacio, correspondiendo esta última a nuestro Universo dominado por la energía oscura. E. Siegel
En pocas palabras, una nueva forma de energía puede afectar a la tasa de expansión del Universo de una manera nueva. Todo depende de cómo cambie la densidad de la energía con el tiempo. Mientras que la materia y la radiación se vuelven menos densas a medida que el Universo se expande, el espacio sigue siendo espacio, y sigue teniendo la misma densidad de energía en todas partes. Lo único que ha cambiado es la suposición automática que hicimos: que la energía debería ser cero. Pues bien, el Universo en aceleración nos dice que no es cero. El gran reto al que se enfrentan los astrofísicos ahora es averiguar por qué tiene el valor que tiene. En ese sentido, la energía oscura sigue siendo el mayor misterio del Universo.
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