Si el universo se expande, ¿la energía por unidad de volumen disminuye constantemente?

Si,

La densidad de energía tiene múltiples componentes y su densidad cambia de diferentes maneras cuando el universo se expande. Cuando la expansión se expresa utilizando el llamado factor de escala a (= tamaño del universo en el tiempo t dividido por el tamaño actual) obtenemos tres tipos de comportamiento

  • Energía Oscura -> constante
    Todavía no se sabe exactamente, pero la mayoría de los cosmólogos creen que su densidad es constante con el tiempo. Algún tipo de propiedad del vacío en sí.
  • Materia (incluida la materia oscura) -> a⁻³
    La densidad de energía de la materia disminuye con el factor de escala a la tercera potencia. Cuando expandimos los bordes de un cubo con el factor de escala (a), su volumen aumenta con el factor de escala a la potencia tres (a³). contiene la misma cantidad de materia que antes de la expansión, por lo que su densidad disminuye con el volumen (a⁻³).
  • Radiación -> a⁻⁴
    La densidad de energía de la radiación disminuye aún más rápido. No solo tenemos el factor con el que aumentó el volumen, como en el caso de la materia (a⁻³), sino también la longitud de onda de la radiación, que aumenta con el factor de escala, disminuyendo la energía por fotón causando otro factor (a) de disminución en la densidad de energía. Todos juntos, causando un factor de escala a la cuarta disminución de potencia. a⁻³ * a⁻¹ = a⁻⁴

En el universo temprano, la radiación dominaba (la mayor parte de la densidad de energía era energía de radiación) pero disminuyó más rápido que los otros componentes (con la cuarta potencia del factor de escala)

La densidad de la materia cayó más lentamente con el factor de escala a la tercera potencia. Se convirtió en el factor más importante cuando el universo tenía 47,000 años de edad.

Después de 9.8 mil millones de años, la densidad de materia había disminuido tanto que Dark Energy era el factor dominante.

Lo más probable es que la densidad de la materia oscura no disminuya y, si no lo hace, seguirá acelerando la expansión del universo, suavizándolo al vacío con una densidad de energía constante.

Si. Pero hay un poco más de eso.

La densidad de la materia (ya sea materia oscura o materia normal) está disminuyendo porque hay una cantidad fija y el espacio se está expandiendo. Esto significa que la gravedad se está volviendo cada vez menos influyente porque todo se está separando.

Para la radiación, en realidad es peor: los fotones también se desplazan hacia el rojo a medida que el universo se expande, por lo que no solo obtienes menos fotones por metro cúbico, sino que también tienen menos energía. ¡La densidad de la energía del fotón por lo tanto cae más rápido que la densidad de la materia! Por esta razón, los efectos de la radiación dejaron de dominar los gravitacionales hace mucho tiempo.

Luego está la energía oscura. Este material es una propiedad del espacio en sí, por lo que la expansión lo aprovecha más. En otras palabras, su densidad es constante. Debido a esta energía oscura, en el futuro dominará sobre los efectos gravitacionales. Ya estamos viendo que esto suceda, es por eso que la expansión del universo se está acelerando.

Sí, porque la energía no se puede crear ni destruir. Pero si inicialmente había suficiente masa para que la densidad promedio del universo fuera mayor que la densidad crítica, la fuerza gravitacional forzará a nuestro universo a implosionar y conducir a la gran crisis. Si es menor que la densidad crítica, entonces el universo se expandirá. Finalmente, se alcanzará una fase en la que solo habrá una partícula por metro cúbico de espacio. Eso significa el fin de los conglomerados de materia (por ejemplo, estrellas y planetas). Si es igual a la densidad crítica, entonces el universo alcanza una expansión máxima y se detiene.

No, el mismo proceso que creó la masa también alimenta el vórtice galáctico. El universo se autoorganiza alrededor de ciclos de energía a gran escala entre la materia y los movimientos emparejados de antimateria. En otras palabras, el universo es entrópico negativo o es un sistema regenerativo. No sabemos cómo funciona nuestro universo. La masa se reciclará nuevamente en la energía a gran escala una vez que lleguemos a la zona de reciclaje en el límite de nuestra rotación a gran escala.