La energía oscura, la fuerza misteriosa que impulsa la expansión acelerada del universo, es uno de los misterios más profundos de la física moderna. A lo largo de los años, la explicación principal ha sido que se ha utilizado esta constante de energía, una propiedad invariante del espacio vacío responsable de la aceleración cósmica. Pero la evidencia reciente hace que los científicos reconsideren esa suposición.
El año pasado, los resultados del Dark Energy Survey (DES) y el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) llamaron la atención de los cosmólogos, sugiriendo que, después de todo, es posible que la energía oscura no se pueda reparar. “Esta será nuestra primera indicación de que la energía oscura no es la constante cósmica introducida por Einstein hace 100 años, sino un fenómeno nuevo y dinámico”, explicó Josh Freeman, profesor emérito de astronomía y astrofísica.
Un nuevo análisis es un punto fuerte evolucionado
En un estudio publicado por el Dr. examen físico d En septiembre, Freeman y Anwar Sajib, becario Einstein del Programa de Becas Hubble de la NASA en Astronomía y Astrofísica, analizaron una amplia gama de datos cosmológicos existentes. Sus hallazgos indican que los modelos dinámicos de energía oscura que varían en el tiempo se ajustan mejor a las observaciones actuales que los modelos cosmológicos constantes de larga duración.
Shajib se especializa en cosmología observacional y evolución de galaxias, aplicando potentes lentes gravitacionales para medir la constante de Hubble y limitar los parámetros de la energía oscura. El trabajo de Freeman también se centra en la cosmología observacional, utilizando estudios del cielo a gran escala como el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y DES para estudiar el origen, la estructura y el destino del universo mientras estudia la expansión acelerada de fuerzas misteriosas.
La Universidad de Chicago habló con Shajib y Freeman sobre sus hallazgos, lo que estos nuevos modelos podrían significar para nuestra comprensión de la evolución cósmica y cómo las observaciones futuras podrían revelar si la energía oscura realmente cambia con el tiempo.
¿Por qué es importante la energía oscura en el estudio del universo?
Hombre libre: Ahora sabemos exactamente cuánta energía oscura hay en el universo, pero no tenemos idea física qué La suposición más simple es que se trata de la fuerza del espacio libre, en cuyo caso será constante en el tiempo, una idea que se remonta a Einstein, Lemaitre, de Sitter y otros a principios del siglo pasado. Es un poco vergonzoso que apenas sepamos qué es el 70 por ciento del universo. Y sea lo que sea, determinará la evolución futura del universo.
¿Qué hallazgos recientes han llevado a los cosmólogos a considerar que la energía oscura puede haber evolucionado?
vivo: Aunque ha habido interés en la naturaleza dinámica de la energía oscura desde su descubrimiento en los años 90 para resolver algunas inconsistencias observacionales, hasta hace poco, la mayoría de los conjuntos de datos más importantes y poderosos eran consistentes con un modelo de energía oscura no evolucionado, que se acepta como la cosmología estándar. Sin embargo, el año pasado el interés en la evolución de la energía oscura revivió fuertemente gracias a la combinación de datos de supernovas, oscilaciones acústicas bariónicas y datos del fondo cósmico de microondas de los experimentos DES, DESI y Planck. Esta combinación de conjuntos de datos indica una fuerte discrepancia con el modelo estándar y no evolucionado de energía oscura. Una característica interesante de la energía oscura que no evoluciona es que su densidad permanece constante en el tiempo a pesar de la expansión del espacio. Sin embargo, para el modelo evolucionado de energía oscura, la densidad de energía oscura cambiará con el tiempo.
Hombre libre: Los datos de este estudio nos permiten estimar la historia de la expansión cósmica: qué tan rápido se ha expandido el universo en diferentes épocas del pasado. Si la energía oscura evoluciona con el tiempo, esa historia será diferente de la constante de la energía oscura. Los resultados de la historia de la expansión cósmica indican que en los últimos miles de millones de años aproximadamente, la densidad de energía oscura ha disminuido aproximadamente un 10 por ciento; no mucho, y mucho más bajo que otras densidades de materia y energía, pero aún significativa.
¿Cuál fue el objetivo de este estudio y cuáles fueron los resultados generales?
vivo Y Hombre libre: El objetivo de este estudio es comparar la predicción de una el fisico Modelar y estimar la evolución de la energía oscura con los últimos conjuntos de datos. el fisico Características de la energía oscura a partir de esta comparación. El “modelo” de energía oscura desarrollado y utilizado en la mayoría de los análisis de datos anteriores es sólo una fórmula matemática que no necesariamente se comportará como un modelo físico. En nuestro artículo, comparamos directamente modelos basados en la física para la evolución de la energía oscura y descubrimos que estos modelos describen los datos actuales mejor que los modelos estándar de energía oscura no evolucionada. También mostramos que estudios en un futuro cercano como DESI y el Legacy Survey of Space and Time (LSST) del Observatorio Vera Rubin podrán decirnos con certeza si estos modelos son correctos o, en cambio, si la energía oscura es realmente constante.
Describe los modelos presentados y por qué explican el comportamiento de la energía oscura mejor que los modelos existentes.
Hombre libre: Estos modelos se basan en la teoría de la física de partículas de partículas hipotéticas llamadas ejes. Los axones fueron predichos por primera vez por los físicos en la década de 1970, quienes intentaron explicar ciertas propiedades observadas en las interacciones fuertes. Hoy en día, los axones se consideran candidatos plausibles para la materia oscura, y experimentos en todo el mundo los están buscando activamente, incluidos físicos del Fermilab y la Universidad de Chicago.
Los modelos de nuestro artículo se basan en una versión diferente y ultraligera del eje que actuaría como energía oscura, no como materia oscura. En estos modelos, la energía oscura, de hecho, permanecerá constante durante los primeros miles de millones de años de la historia del universo, pero luego el eje comenzará a evolucionar (como una bola en un campo descuidado que se suelta del reposo y comienza a rodar) y su densidad disminuirá gradualmente, lo que los datos parecen favorecer. Entonces, los datos sugieren la existencia de una nueva partícula en la naturaleza que es aproximadamente 38 órdenes de magnitud más ligera que el electrón.
¿Cuáles son las implicaciones de estos hallazgos para comprender la expansión del universo?
vivo: En estos modelos, la densidad de la energía oscura disminuye con el tiempo. La energía oscura es la causa de la expansión acelerada del universo, por lo que a medida que su densidad disminuye, la aceleración también disminuirá con el tiempo. Si consideramos el futuro muy lejano del universo, diferentes propiedades de la energía oscura pueden conducir a resultados diferentes. Los dos extremos de estos resultados son un Big Rip, donde la expansión acelerada se acelera hasta tal punto que destroza todo, incluso los átomos, y un Big Crunch, donde el universo deja de expandirse en algún momento y colapsa nuevamente, lo que parecería un Big Bang inverso. Nuestros modelos sugieren que el universo evitará ambos extremos: sufrirá una expansión acelerada durante miles de millones de años, dando lugar a un universo frío y oscuro: una gran congelación.
¿Podrían estos resultados tener otras implicaciones menos obvias?
Hombre libre: Me imagino que las tecnologías que necesitamos desarrollar para explorar más a fondo estas ideas sólo tendrán implicaciones prácticas: construir nuevos telescopios, lanzar nuevos satélites o desarrollar nuevos detectores, por ejemplo. Estos acontecimientos podrían tener un impacto mucho mayor en nuestras vidas que los acontecimientos que ocurrirán billones de años en el futuro.
¿Qué es lo que más te emociona de estos resultados?
vivo: Para este artículo, recopilamos todos los conjuntos de datos principales: DES, DESI, SDSS, cosmografía con retardo de tiempo, Tablóny el Telescopio Cosmológico de Atacama, y los combinó para obtener las mediciones de energía oscura más limitadas hasta la fecha. Todas estas mediciones provienen de una extensa experimentación, por lo que, en cierto modo, representan el conocimiento colectivo que ha acumulado la comunidad cosmológica en su conjunto.
Hombre libre: Cuando comenzamos a trabajar en DES en 2003, nuestro objetivo era limitar las propiedades de la energía oscura para determinar si es constante o variable. A lo largo de dos décadas, los datos indicaron que era constante. Casi renunciamos a esa pregunta porque los datos respaldan consistentemente la hipótesis. Sin embargo, ahora tenemos el primer indicio en más de 20 años de que la energía oscura puede estar evolucionando, y si evoluciona, debe ser algo nuevo, que cambie nuestra comprensión de la física fundamental. Ese sentimiento nos recuerda dónde estábamos al principio. Puede que todavía resulte que estas indicaciones sean erróneas, pero es posible que estemos a punto de responder esa pregunta, y eso es bastante emocionante.
