¿Cuál es la razón de la aceleración de la expansión del universo?

El campo gravitacional no es “ralentizar el tiempo”. Bueno, lo es, pero esa no es la razón de la expansión. Principalmente no es un efecto relativista.

Un secreto poco conocido (bueno, poco conocido por los no cosmólogos, es decir) es que las ecuaciones de la expansión pueden, de hecho, derivarse de la física newtoniana. Realmente no hay nada exótico en ellos. Simplemente tome un universo infinito, agregue algo de materia en una configuración homogénea e isotrópica, y deje que las ecuaciones pierdan … y obtendrá un universo en expansión o contracción.

Por lo tanto, es importante recordarnos que la expansión en sí misma no es una fuerza. Si comienzas con un universo que es denso y se expande, un poco más tarde obtienes un universo que es un poco menos denso (debido a la expansión) y se expande más lentamente (debido a su gravedad).

Pero aquí está el problema: todo depende de la naturaleza de las cosas que ponemos en este universo. Los cosmólogos caracterizan las cosas por su “ecuación de estado”, que relaciona su presión con su densidad de masa-energía. Los cosmólogos llaman “polvo” a la materia con una presión insignificante (esto significa casi todo en la vida cotidiana) y, como se esperaba, su densidad de masa-energía será inversamente proporcional al volumen. El universo se hace el doble de grande, la densidad de masa-energía se reduce a la mitad.

Luego está la “radiación”: partículas que se mueven a velocidades ultrarelativistas, incluida la luz. A medida que el universo se expande, no solo hay más espacio para estas partículas, sino que su longitud de onda se estira, por lo que disminuye la energía cinética de las partículas individuales. Entonces, la densidad de energía de masa de la radiación disminuye más rápido que la densidad de energía del polvo.

Pero luego está la “energía oscura”. Su ecuación de estado es tal que su presión es enorme y negativa. Lo que tiene dos curiosas consecuencias. Primero … piense qué sucede cuando la gravedad funciona con un gas normal. Lo comprime Todo el trabajo realizado por gravedad ahora está en forma de presión (por ejemplo, la presión en el interior de una estrella). Si pudieras eliminar mágicamente la gravedad, la bola de gas comprimido explotaría. Pero con la energía oscura, que tiene presión negativa, la gravedad funciona al hacerla expandirse . (No es tan exótico como parece; después de todo, las burbujas en el mar también se elevan debido a la gravedad.) Y todo el trabajo realizado por la gravedad se convierte en … lo adivinaste, más energía oscura.

Este, entonces, es el mecanismo. Imagine un universo lleno de polvo, radiación y algo de energía oscura. Haz que el universo se expanda. La expansión se ralentiza por la gravedad. La densidad de masa-energía del polvo disminuye. La densidad de masa-energía de la radiación disminuye aún más. Pero la densidad de energía de masa de la energía oscura permanece constante … así que si el universo continúa expandiéndose, en cierto punto, la energía oscura se vuelve dominante. Y su gravedad propia ahora hace que la expansión se acelere.

No sabemos qué es este componente de energía oscura. Hay candidatos: podría ser una constante de la naturaleza (la llamada constante cosmológica) que imita este comportamiento. Podría ser la energía del punto cero al vacío de las fluctuaciones cuánticas (pero si lo es, está desactivada por muchas docenas de órdenes de magnitud). Y algunos argumentan que es una ilusión de todos modos, y en realidad el universo no es homogéneo, tiene grandes áreas que son menos densas que el promedio y vivimos en ese “vacío”. En resumen, es un área de investigación activa … lo que bosquejé arriba es la cosmología estándar, pero es solo una de varias alternativas posibles.