La constante cosmológica es parte del llamado modelo de materia oscura fría Lambda ([math] \ Lambda [/ math] CDM) de cosmología (a menudo denominado modelo estándar de cosmología). De ninguna manera es el único modelo cosmológico, pero hay varios conjuntos de datos astrofísicos que lo respaldan. El modelo CDM [math] \ Lambda [/ math] se basa en 2 supuestos fundamentales:
- El principio cosmológico es válido.
- La relatividad general es la teoría correcta de la gravedad.
El principio cosmológico es una suposición de simetría que establece que en escalas suficientemente grandes, la distribución de la materia del universo es homogénea e isotrópica. Existen fuertes razones para suponer esto y con esta suposición, es posible usar la Relatividad General para describir cómo evolucionan el universo y las estructuras dentro de él.
Ahora, a la luz de estos 2 supuestos, la única forma de explicar una gran parte de los datos astronómicos observados es introducir una nueva forma exótica de energía con una gran presión negativa (llamada Energía Oscura) y un nuevo componente masivo de materia (llamado Materia Oscura) . La constante cosmológica es el candidato más simple para la Energía Oscura.
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Claramente, este modelo adolece de algunas deficiencias teóricas importantes, pero desde 1998, un creciente cuerpo de evidencia observacional ha confirmado la validez del MDL [matemático] \ Lambda [/ matemático]. Aquí hay un par de ejemplos –
- Radiación de fondo cósmico de microondas
Los espectros de la temperatura CMB y las anisotropías de polarización generalmente se caracterizan por picos asociados con ondas de sonido impulsadas por la gravedad. Se encontró que estos picos eran completamente consistentes con el MDL [math] \ Lambda [/ math]. Además, la curvatura de las trayectorias de los fotones de CMB causadas por la masa interviniente de la estructura a gran escala entre nosotros y la superficie de la última dispersión también está en perfecto acuerdo con el modelo CDM [matemático] \ Lambda [/ matemático].
- Tipo 1a supernovas
Estas son explosiones brillantes de estrellas que se pueden observar a distancias muy grandes, con la cantidad de luz que emiten aproximadamente la misma independientemente de su ubicación en el espacio. Se ha encontrado que cada experimento que se ha llevado a cabo hasta la fecha (tanto estudios terrestres como espaciales) para medir la aceleración cósmica usando supernovas de Tipo 1a es consistente con el modelo MDL [matemático] \ Lambda [/ matemático].
- Agrupación de galaxias
Sabemos que las galaxias no están dispersas al azar en el espacio. Debido a la gravedad, se agrupan en estructuras masivas llamadas grupos que dejan grandes huecos en el espacio. Esta agrupación de galaxias es un proceso dinámico que depende del equilibrio relativo de la materia oscura y la energía oscura. La presencia de una constante cosmológica conduce a huecos más grandes y contrastes de mayor densidad entre regiones muy densas y menos densas en comparación con un universo lleno solo de materia oscura y ordinaria. La agrupación observada de galaxias proporciona evidencia adicional de la existencia de energía oscura en forma de constante cosmológica.
Esto es sólo la punta del iceberg. También tiene conjuntos de datos más consistentes e independientes provenientes de experimentos que involucran oscilaciones acústicas de Baryon, lentes gravitacionales débiles, etc. Por lo tanto, el modelo MDL [math] \ Lambda [/ math] debe tomarse en serio y no se puede disipar simplemente sobre la base de deficiencias teóricas.
Pero a pesar de estos éxitos notables, una constante cosmológica plantea serios problemas desde el punto de vista de la física de partículas. En este contexto, la constante cosmológica es matemáticamente equivalente a la densidad de energía del espacio vacío, el vacío. Sin embargo, las expectativas teóricas para la densidad de energía de vacío son al menos 60 órdenes de magnitud más grandes que el valor cosmológico observado, posiblemente la peor predicción en la historia de la física. Esto se conoce como el “problema constante cosmológico”. Aunque se han presentado diferentes estrategias para aliviar esta discrepancia a lo largo de los años, ninguna de ellas puede dar sentido a la pequeñez de la constante cosmológica medida sin incurrir en un ajuste ad hoc insatisfactorio.
Otro enigma sin resolver es el llamado “problema de coincidencia”. Si la constante cosmológica es responsable de la expansión acelerada de los últimos tiempos, la similitud entre su valor observado y la densidad de materia actual podría parecer algo improbable. A medida que el universo se expande, su abundancia relativa cambia rápidamente, dominando la materia en épocas tempranas y prevaleciendo la energía oscura en el futuro. Solo hay una breve ventana (en términos cosmológicos) en la que las dos densidades de energía son comparables, y estamos viviendo a través de ella.
Además, se puede cuestionar la validez de ambos supuestos que son centrales para el modelo CDM [math] \ Lambda [/ math]. El principio cosmológico parece una suposición muy tentadora a la luz de la radiación cósmica de fondo de microondas, pero los datos posteriores de la Misión de Planck han mostrado un claro sesgo del hemisferio con respecto tanto al sesgo de temperatura como a las fluctuaciones de temperatura.
Además, se acuerda casi universalmente que GR no puede ser una teoría fundamental de la naturaleza, ya que no tiene en cuenta la Mecánica Cuántica. Entonces, hay buenas razones para preguntarse si realmente es la teoría correcta de la gravedad. El problema es que ninguna alteración fácil de GR (como la extensión de gravedad tensorial-vector-escalar) puede conciliar este enigma de introducir una constante cosmológica oscura. Si va a haber un cambio, tendrá que ser un cambio dramático en el formalismo y ni siquiera está claro por dónde empezar. Y no se equivoque, a diferencia de la materia oscura (donde los límites superiores en las desviaciones de GR son tan pequeños que no vale la pena considerarlos), la energía oscura se puede interpretar como una razón suficiente para alejarse de la Relatividad General y hay varios físicos hoy en día que están trabajando en modelos alternativos de cosmología.
Entonces, Dark Energy presenta muchas dificultades conceptuales en el contexto del modelo MDL [matemático] \ Lambda [/ matemático], pero no está claro si estas dificultades amenazan directamente la validez de la relatividad general. Esa sigue siendo una pregunta abierta.