Hola, estoy publicando el blog de la NASA.
Energía Oscura, Materia Oscura
A principios de la década de 1990, una cosa era bastante segura acerca de la expansión del universo. Es posible que tenga suficiente densidad de energía para detener su expansión y recaída, podría tener tan poca densidad de energía que nunca dejaría de expandirse, pero la gravedad seguramente retrasaría la expansión con el paso del tiempo. Por supuesto, la desaceleración no se había observado, pero, en teoría, el universo tuvo que disminuir. El universo está lleno de materia y la fuerza de gravedad atractiva atrae a toda la materia. Luego vino 1998 y las observaciones del Telescopio Espacial Hubble (HST) de supernovas muy distantes que mostraron que, hace mucho tiempo, el universo se estaba expandiendo más lentamente de lo que es hoy. Entonces, la expansión del universo no se ha desacelerado debido a la gravedad, como todos pensaban, se ha acelerado. Nadie esperaba esto, nadie sabía cómo explicarlo. Pero algo lo estaba causando.
- ¿Es posible que la materia oscura y la energía sean solo "campos" adicionales muy parecidos a la gravedad? Quizás sus efectos se agravan a medida que interactúan.
- En la famosa ecuación de Einstein, ¿por qué c es cuadrado? ¿Por qué no solo c, o al 3er o 4to poder? ¿Es porque cuando la materia se aniquila, como cuando la materia se encuentra con la antimateria, obtienes dos fotones de rayos gamma que van en direcciones opuestas?
- ¿Qué pasaría si el núcleo rocoso de Júpiter estuviera expuesto al espacio?
- ¿Qué sucederá cuando aparezca el asteroide, después de que se encuentre alrededor del Sol?
- ¿Cuál es la diferencia entre la radiación de Cerenkov y la radiación de Hawking? ¿Hay uno?
Finalmente, los teóricos llegaron a tres tipos de explicaciones. Tal vez fue el resultado de una versión descartada por mucho tiempo de la teoría de la gravedad de Einstein, una que contenía lo que se llamó una “constante cosmológica”. Quizás había algún tipo extraño de fluido energético que llenaba el espacio. Quizás haya algo mal con la teoría de la gravedad de Einstein y una nueva teoría podría incluir algún tipo de campo que cree esta aceleración cósmica. Los teóricos aún no saben cuál es la explicación correcta, pero le han dado un nombre a la solución. Se llama energía oscura.
¿Qué es la energía oscura?
Se desconoce más de lo que se sabe. Sabemos cuánta energía oscura hay porque sabemos cómo afecta la expansión del universo. Aparte de eso, es un completo misterio. Pero es un misterio importante. Resulta que aproximadamente el 68% del universo es energía oscura. La materia oscura representa alrededor del 27%. El resto, todo en la Tierra, todo lo que se haya observado con todos nuestros instrumentos, toda la materia normal, suma menos del 5% del universo. Ahora que lo pienso, tal vez no debería llamarse materia “normal” en absoluto, ya que es una fracción tan pequeña del universo.
Universo Dark Energy-1 Universe en expansión
Este diagrama revela cambios en la tasa de expansión desde el nacimiento del universo hace 15 mil millones de años. Cuanto más superficial es la curva, más rápida es la tasa de expansión. La curva cambia notablemente hace unos 7.500 millones de años, cuando los objetos en el universo comenzaron a separarse a una velocidad más rápida. Los astrónomos teorizan que la tasa de expansión más rápida se debe a una fuerza misteriosa y oscura que está separando las galaxias.
Crédito: NASA / STSci / Ann Feild
Una explicación para la energía oscura es que es una propiedad del espacio. Albert Einstein fue la primera persona en darse cuenta de que el espacio vacío no es nada. El espacio tiene propiedades asombrosas, muchas de las cuales apenas comienzan a ser entendidas. La primera propiedad que descubrió Einstein es que es posible que exista más espacio. Entonces, una versión de la teoría de la gravedad de Einstein, la versión que contiene una constante cosmológica, hace una segunda predicción: el “espacio vacío” puede poseer su propia energía. Debido a que esta energía es una propiedad del espacio en sí, no se diluirá a medida que el espacio se expanda. A medida que surja más espacio, aparecería más de esta energía del espacio. Como resultado, esta forma de energía causaría que el universo se expanda cada vez más rápido. Desafortunadamente, nadie comprende por qué la constante cosmológica debería estar allí, y mucho menos por qué tendría exactamente el valor correcto para causar la aceleración observada del universo.
Núcleo de materia oscura desafía la explicación
Esta imagen muestra la distribución de materia oscura, galaxias y gas caliente en el núcleo del cúmulo de galaxias que se está fusionando, Abell 520. El resultado podría presentar un desafío a las teorías básicas de la materia oscura.
Otra explicación de cómo el espacio adquiere energía proviene de la teoría cuántica de la materia. En esta teoría, el “espacio vacío” en realidad está lleno de partículas temporales (“virtuales”) que se forman continuamente y luego desaparecen. Pero cuando los físicos intentaron calcular la cantidad de energía que esto le daría al espacio vacío, la respuesta salió mal, mucho por error. El número salió 10
120
veces demasiado grande Eso es un 1 con 120 ceros después. Es difícil obtener una respuesta tan mala. Entonces el misterio continúa.
Otra explicación para la energía oscura es que es un nuevo tipo de fluido o campo de energía dinámica, algo que llena todo el espacio pero algo cuyo efecto en la expansión del universo es el opuesto al de la materia y la energía normal. Algunos teóricos han llamado a esta “quintaesencia”, después del quinto elemento de los filósofos griegos. Pero, si la quintaesencia es la respuesta, todavía no sabemos cómo es, con qué interactúa o por qué existe. Entonces el misterio continúa.
Una última posibilidad es que la teoría de la gravedad de Einstein no es correcta. Eso no solo afectaría la expansión del universo, sino que también afectaría la forma en que se comportaba la materia normal en galaxias y cúmulos de galaxias. Este hecho proporcionaría una manera de decidir si la solución al problema de la energía oscura es una nueva teoría de la gravedad o no: podríamos observar cómo las galaxias se unen en cúmulos. Pero si resulta que se necesita una nueva teoría de la gravedad, ¿qué tipo de teoría sería? ¿Cómo podría describir correctamente el movimiento de los cuerpos en el Sistema Solar, como se sabe que hace la teoría de Einstein, y todavía nos da la predicción diferente para el universo que necesitamos? Hay teorías candidatas, pero ninguna es convincente. Entonces el misterio continúa.
Lo que se necesita para decidir entre las posibilidades de energía oscura (una propiedad del espacio, un nuevo fluido dinámico o una nueva teoría de la gravedad) son más datos, mejores datos.
¿Qué es la materia oscura?
Al ajustar un modelo teórico de la composición del universo al conjunto combinado de observaciones cosmológicas, los científicos han creado la composición que describimos anteriormente, ~ 68% de energía oscura, ~ 27% de materia oscura, ~ 5% de materia normal. ¿Qué es la materia oscura?
Estamos mucho más seguros de lo que no es la materia oscura que de lo que es. Primero, está oscuro, lo que significa que no tenemos la forma de estrellas y planetas que vemos. Las observaciones muestran que hay muy poca materia visible en el universo para constituir el 27% requerido por las observaciones. Segundo, no tiene la forma de nubes oscuras de materia normal, materia compuesta de partículas llamadas bariones. Sabemos esto porque podríamos detectar nubes bariónicas por su absorción de la radiación que pasa a través de ellas. Tercero, la materia oscura no es antimateria, porque no vemos los rayos gamma únicos que se producen cuando la antimateria se aniquila con la materia. Finalmente, podemos descartar grandes agujeros negros del tamaño de una galaxia en función de la cantidad de lentes gravitacionales que vemos. Las altas concentraciones de materia doblan la luz que pasa cerca de ellos desde objetos más alejados, pero no vemos suficientes eventos de lentes para sugerir que dichos objetos constituyan la contribución requerida de 25% de materia oscura.
Abell 2744: el cúmulo de Pandora revelado
Una de las colisiones más complicadas y dramáticas entre los cúmulos de galaxias jamás vistas se captura en esta nueva imagen compuesta de Abell 2744. El azul muestra un mapa de la concentración de masa total (principalmente materia oscura).
Sin embargo, en este punto, todavía hay algunas posibilidades de materia oscura que son viables. La materia bariónica aún podría formar la materia oscura si estuviera todo atado en enanas marrones o en pequeños y densos trozos de elementos pesados. Estas posibilidades se conocen como objetos de halo compactos masivos, o “MACHO”. Pero la opinión más común es que la materia oscura no es bariónica en absoluto, sino que está formada por otras partículas más exóticas como axiones o WIMPS (partículas masivas que interactúan débilmente).
