A principios del siglo XX, un joven científico llamado Albert Einstein estudió las propiedades de la luz y la masa y cómo se relacionan entre sí. El resultado de sus reflexiones fue la teoría de la relatividad. Su trabajo cambió la física y la astronomía modernas de una manera que todavía se siente hoy. Cada estudiante estudia su famosa ecuación E=MC2 para entender cómo se relacionan la masa y la energía. Este es uno de los hechos fundamentales de la existencia del cosmos.
¿Qué es la constante cosmológica?
A pesar de lo profundas que eran las ecuaciones de Einstein para la relatividad general, presentaban un problema. Trató de explicar cómo existen la masa y la luz en el universo, cómo su interacción puede conducir a un universo estático (es decir, no en expansión). Desafortunadamente, sus ecuaciones predijeron que se contraería o se expandiría, y continuaría haciéndolo para siempre, pero finalmente llegaría a un punto en el que se contraería.
No se sentía bien para él, así que Einstein tuvo que explicar una forma de mantener la gravedad,para explicar el universo estático. Después de todo, la mayoría de los físicos y astrónomos de su época simplemente asumieron que así era. Así que Einstein inventó el factor Fudge, llamado "constante cosmológica", que dio orden a las ecuaciones y resultó en un universo que ni se expande ni se contrae. Se le ocurrió el signo "lambda" (letra griega), que denota la densidad de energía en el vacío del espacio. Controla la expansión, y su f alta detiene este proceso. Ahora se necesitaba un factor para explicar la teoría cosmológica.
¿Cómo calcular?
Albert Einstein presentó la primera versión de la teoría general de la relatividad (GR) al público el 25 de noviembre de 1915. Las ecuaciones originales de Einstein se veían así:
En el mundo moderno, la constante cosmológica es:
Esta ecuación describe la teoría de la relatividad. Además, una constante también se denomina miembro lambda.
Galaxias y el Universo en expansión
La constante cosmológica no arregló las cosas como él esperaba. En realidad, funcionó, pero solo por un tiempo. El problema de la constante cosmológica no ha sido resuelto.
Esto continuó hasta que otro joven científico, Edwin Hubble, hizo una profunda observación de estrellas variables en galaxias distantes. Su parpadeo reveló las distancias a estas estructuras cósmicas y más.
El trabajo de Hubble ha demostradono solo que el universo incluía muchas otras galaxias, sino que resultó que se estaba expandiendo, y ahora sabemos que la velocidad de este proceso cambia con el tiempo. Esto redujo en gran medida la constante cosmológica de Einstein a cero, y el gran científico tuvo que revisar sus suposiciones. Los investigadores no lo han abandonado por completo. Sin embargo, Einstein más tarde llamó a agregar su constante a la relatividad general el mayor error de su vida. ¿Pero lo es?
Nueva constante cosmológica
En 1998, un equipo de científicos que trabajaba con el telescopio espacial Hubble, estudiando supernovas distantes, notó algo completamente inesperado: la expansión del universo se está acelerando. Además, el ritmo del proceso no es el esperado y ha sido en el pasado.
Dado que el universo está lleno de masa, parece lógico que la expansión sea más lenta, aunque sea tan pequeña. Así, este descubrimiento parecía contradecir lo que predecían las ecuaciones y la constante cosmológica de Einstein. Los astrónomos no entendieron cómo explicar la aparente aceleración de la expansión. ¿Por qué, cómo está pasando esto?
Respuestas a preguntas
Para explicar la aceleración y las nociones cosmológicas sobre ella, los científicos han vuelto a la idea de la teoría original.
Su última especulación no descarta la existencia de algo llamado energía oscura. Es algo que no se puede ver ni sentir, pero sus efectos se pueden medir. es lo mismo que oscuromateria: su efecto se puede determinar por cómo afecta la luz y la materia visible.
Es posible que los astrónomos aún no sepan qué es esta energía oscura. Sin embargo, saben que afecta la expansión del universo. Para comprender estos procesos, se necesita más tiempo de observación y análisis. ¿Quizás la teoría cosmológica no es tan mala idea después de todo? Después de todo, se puede explicar asumiendo que la energía oscura existe. Aparentemente, esto es cierto y los científicos deben buscar más explicaciones.
¿Qué pasó al principio?
El modelo cosmológico original de Einstein era un modelo homogéneo estático con una geometría esférica. El efecto gravitatorio de la materia provocó una aceleración en esta estructura, que Einstein no pudo explicar, ya que en ese momento no se sabía que el universo se estaba expandiendo. Por lo tanto, el científico introdujo la constante cosmológica en sus ecuaciones de relatividad general. Esta constante se aplica para contrarrestar la atracción gravitacional de la materia, por lo que se ha descrito como el efecto antigravedad.
Omega Lambda
En lugar de la constante cosmológica en sí, los investigadores a menudo se refieren a la relación entre la densidad de energía debida a ella y la densidad crítica del universo. Este valor generalmente se denota de la siguiente manera: ΩΛ. En un universo plano, ΩΛ corresponde a una fracción de su densidad de energía, que también se explica por la constante cosmológica.
Tenga en cuenta que esta definición está relacionada con la densidad crítica de la época actual. Cambia con el tiempo, pero la densidadla energía, debido a la constante cosmológica, permanece invariable a lo largo de la historia del universo.
Veamos más a fondo cómo los científicos modernos desarrollan esta teoría.
Prueba cosmológica
El estudio actual de la aceleración del universo ahora está muy activo, con muchos experimentos diferentes que cubren escalas de tiempo, escalas de longitud y procesos físicos muy diferentes. Se ha creado un modelo cosmológico CDM, en el que el Universo es plano y tiene las siguientes características:
- densidad de energía, que es aproximadamente el 4% de la materia bariónica;
- 23 % de materia oscura;
- 73% de la constante cosmológica.
El resultado crítico de la observación que llevó a la constante cosmológica a su significado actual fue el descubrimiento de que las supernovas distantes de Tipo Ia (0<z<1) utilizadas como velas estándar eran más débiles de lo esperado en un universo en desaceleración. Desde entonces, muchos grupos han confirmado este resultado con más supernovas y una gama más amplia de corrimientos al rojo.
Vamos a explicar con más detalle. De particular importancia en el pensamiento cosmológico actual son las observaciones de que las supernovas de desplazamiento al rojo extremadamente alto (z>1) son más brillantes de lo esperado, que es una firma que se espera del tiempo de desaceleración que conduce a nuestro período de aceleración actual. Antes de la publicación de los resultados de las supernovas en 1998, ya había varias líneas de evidencia que allanaron el camino para un desarrollo relativamente rápido.aceptación de la teoría de la aceleración del Universo con la ayuda de las supernovas. En particular, tres de ellos:
- El universo resultó ser más joven que las estrellas más viejas. Su evolución ha sido bien estudiada, y las observaciones de ellos en cúmulos globulares y en otros lugares muestran que las formaciones más antiguas tienen más de 13 mil millones de años. Podemos comparar esto con la edad del universo midiendo su tasa de expansión hoy y remontándonos a la época del Big Bang. Si el universo se ralentizara a su velocidad actual, entonces la edad sería menor que si se acelerara a su velocidad actual. Un universo plano, solo de materia, tendría unos 9.000 millones de años, un problema importante si se tiene en cuenta que es varios miles de millones de años más joven que las estrellas más antiguas. En cambio, un universo plano con el 74% de la constante cosmológica tendría unos 13.700 millones de años. Entonces, al ver que actualmente está acelerando, se resolvió la paradoja de la edad.
- Demasiadas galaxias lejanas. Su número ya ha sido ampliamente utilizado en los intentos de estimar la desaceleración de la expansión del Universo. La cantidad de espacio entre dos desplazamientos al rojo difiere según el historial de expansión (para un ángulo sólido determinado). Utilizando el número de galaxias entre dos desplazamientos al rojo como medida del volumen del espacio, los observadores han determinado que los objetos distantes parecen demasiado grandes en comparación con las predicciones de un universo en desaceleración. O la luminosidad de las galaxias o su número por unidad de volumen evolucionó con el tiempo de formas inesperadas, o los volúmenes que calculamos estaban equivocados. La materia acelerante podríaexplicaría las observaciones sin desencadenar ninguna extraña teoría de la evolución de las galaxias.
- La planitud observable del universo (a pesar de la evidencia incompleta). Usando mediciones de fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas (CMB), desde el momento en que el universo tenía unos 380.000 años, se puede concluir que es espacialmente plano con una precisión de un pequeño porcentaje. Al combinar estos datos con una medición precisa de la densidad de la materia en el universo, queda claro que tiene solo alrededor del 23% de la densidad crítica. Una forma de explicar la f alta de densidad de energía es aplicar la constante cosmológica. Al final resultó que, una cierta cantidad es simplemente necesaria para explicar la aceleración observada en los datos de supernova. Este era justo el factor necesario para hacer que el universo fuera plano. Por lo tanto, la constante cosmológica resolvió la aparente contradicción entre las observaciones de la densidad de la materia y el CMB.
¿Cuál es el punto?
Para responder a las preguntas que surgen, considere lo siguiente. Tratemos de explicar el significado físico de la constante cosmológica.
Tomamos la ecuación GR-1917 y ponemos el tensor métrico gab fuera de paréntesis. Por tanto, dentro de los paréntesis tendremos la expresión (R/2 - Λ). El valor de R se representa sin índices: esta es la curvatura escalar habitual. Si explica con los dedos, este es el recíproco del radio del círculo / esfera. El espacio plano corresponde a R=0.
En esta interpretación, un valor distinto de cero de Λ significa que nuestro Universo es curvopor sí mismo, incluso en ausencia de gravedad. Sin embargo, la mayoría de los físicos no creen esto y creen que la curvatura observada debe tener alguna causa interna.
Materia oscura
Este término se usa para la materia hipotética en el universo. Está diseñado para explicar muchos problemas con el modelo cosmológico estándar del Big Bang. Los astrónomos estiman que alrededor del 25% del universo está compuesto de materia oscura (quizás ensamblada a partir de partículas no estándar como neutrinos, axiones o partículas masivas de interacción débil [WIMP]). Y el 70% del Universo en sus modelos consiste en energía oscura aún más oscura, dejando solo el 5% de materia ordinaria.
Cosmología creacionista
En 1915, Einstein resolvió el problema de publicar su teoría general de la relatividad. Demostró que la precesión anómala es una consecuencia de cómo la gravedad distorsiona el espacio y el tiempo y controla los movimientos de los planetas cuando están especialmente cerca de cuerpos masivos, donde la curvatura del espacio es más pronunciada.
La gravedad newtoniana no es una descripción muy precisa del movimiento planetario. Especialmente cuando la curvatura del espacio se aleja de la planitud euclidiana. Y la relatividad general explica el comportamiento observado casi exactamente. Por lo tanto, ni la materia oscura, que algunos han sugerido que estaba en un anillo invisible de materia alrededor del Sol, ni el propio planeta Vulcano, fueron necesarios para explicar la anomalía.
Conclusiones
En los primeros díasla constante cosmológica sería despreciable. En tiempos posteriores, la densidad de la materia será esencialmente cero y el universo estará vacío. Vivimos en esa breve época cosmológica en la que tanto la materia como el vacío tienen una magnitud comparable.
Dentro del componente de materia, aparentemente, hay contribuciones tanto de bariones como de una fuente no bariónica, ambos son comparables (al menos, su proporción no depende del tiempo). Esta teoría se tambalea bajo el peso de su f alta de naturalidad, pero sin embargo cruza la línea de meta mucho antes que la competencia, así que encaja bien con los datos.
Además de confirmar (o refutar) este escenario, el principal desafío para los cosmólogos y físicos en los próximos años será comprender si estos aspectos aparentemente desagradables de nuestro universo son simplemente coincidencias sorprendentes o reflejan la estructura básica que tenemos. todavía no entiendo.
Si tenemos suerte, todo lo que parece antinatural ahora servirá como clave para una comprensión más profunda de la física fundamental.
