Desvelando el secreto de la acelerada expansión del universo

El universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, posiblemente impulsado por la energía oscura. Sin embargo, la inquietud del Hubble, una discrepancia en las mediciones de la tasa de expansión, desafía los modelos actuales y estimula una búsqueda continua de explicaciones.

Los astrónomos saben desde hace décadas que el universo se está expandiendo. Cuando usan telescopios para observar galaxias distantes, las ven Las galaxias se están alejando de la tierra.

Para los astrónomos, la longitud de onda de la luz que emite una galaxia es mayor cuanto más rápido se aleja la galaxia de nosotros. Cuanto más lejos está una galaxia, más se desplaza su luz hacia las longitudes de onda más largas en el lado rojo del espectro y, por tanto, mayor es su «desplazamiento al rojo».

Tiempo y distancia en el universo.

Dado que la velocidad de la luz es finita y rápida, pero no infinitamente rápida, ver algo lejano significa que estamos mirando el objeto como se veía en el pasado. En galaxias distantes con alto corrimiento al rojo, vemos la galaxia cuando el universo era más joven. Entonces, el “alto corrimiento al rojo” corresponde a los primeros tiempos del universo, y el “bajo corrimiento al rojo” corresponde a los últimos tiempos del universo.

Esta imagen de campo profundo tomada por el telescopio espacial James Webb muestra un universo lleno de galaxias brillantes. Esta es la imagen infrarroja más profunda y precisa del universo distante hasta la fecha. Esta imagen del cúmulo de galaxias SMACS 0723, conocido como el primer campo de la red profunda, está repleta de detalles. Crédito de la imagen: NASA, ESA, Agencia Espacial Canadiense y STScI.

Pero cuando los astrónomos estudiaron estas distancias, descubrieron que el universo no sólo se está expandiendo, sino que su ritmo de expansión se está acelerando. Esta tasa de expansión es más rápida de lo que predice la teoría principal. Los cosmólogos como yo Confundido y buscando nuevas explicaciones.

Aceleración de la expansión y la energía oscura.

Los científicos llaman a la fuente de esta aceleración energía oscura. No estamos del todo seguros de qué impulsa la energía oscura o cómo funciona, pero creemos que su comportamiento puede explicarse. Constante cosmológicael cual es un Propiedad espacio-temporal Lo que contribuye a la expansión del universo.

A Albert Einstein se le ocurrió originalmente esta constante y le colocó una lambda en su teoría. Relatividad general. Con la constante cosmológica, a medida que el universo se expande, la densidad de energía de la constante cosmológica permanece igual.

Imagina una caja llena de partículas. Si el volumen de la caja aumenta, la densidad de las partículas disminuirá a medida que se expandan para ocupar todo el espacio de la caja. Ahora imagina la misma caja, pero a medida que aumenta el volumen, la densidad de las moléculas sigue siendo la misma.

No parece intuitivo, ¿verdad? El hecho de que la densidad de energía de la constante cosmológica no disminuya a medida que el universo se expande es, por supuesto, muy extraño, pero esta propiedad ayuda a explicar la aceleración del universo.

Lambda CDM: el modelo estándar de cosmología

Actualmente, la principal teoría, o modelo estándar, de la cosmología es… Se llama lambda CDM.Lambda se refiere a la constante cosmológica que describe la energía oscura, mientras que CDM se refiere a la materia oscura fría. Este modelo describe la aceleración del universo en sus últimas etapas, así como la tasa de expansión en sus primeros días.

Específicamente, Lambda CDM explica las observaciones de la radiación cósmica de fondo de microondas, el resplandor de la radiación de microondas desde que comenzó el universo. Estaba en un estado «caliente y denso».“Unos 300.000 años después la gran explosión. notas usando satélite planckque mide Fondo cósmico de microondasLlevó a los científicos a crear el modelo Lambda CDM.

Ajustar el modelo Lambda CDM al fondo cósmico de microondas permite a los físicos predecir el valor de… Constante de Hubbleque en realidad no es una constante sino una medida que describe la tasa de expansión actual del universo.

Pero el modelo Lambda CDM no es perfecto. Los científicos han calculado la tasa de expansión midiendo distancias a las galaxias, y la tasa de expansión se muestra en Lambda CDM usando… Observaciones del fondo cósmico de microondas, no hagas fila. Los astrofísicos llaman a este desacuerdo tensión de Hubble.

El universo se está expandiendo más rápido de lo que predicen los modelos populares en cosmología. Crédito: Equipo científico de NASA/WMAP

Tensión del Hubble

Durante los últimos años, he estado métodos de búsqueda Para explicar esta tensión Hubble. La tensión puede indicar que el modelo Lambda CDM está incompleto y los físicos deben modificar su modelo, o puede indicar que es hora de que los investigadores propongan nuevas ideas sobre cómo funciona el universo. Las nuevas ideas son siempre lo más apasionante para un físico.

Una forma de explicar la tensión de Hubble es modificar el modelo Lambda CDM cambiando la tasa de expansión con un corrimiento al rojo bajo, en momentos tardíos del universo. Modificar el modelo de esta manera podría ayudar a los físicos a predecir qué tipo de fenómenos físicos podrían causar las sacudidas del Hubble.

Por ejemplo, la energía oscura puede no ser una constante cosmológica, sino el resultado de que la gravedad funcione de nuevas maneras. Si ese fuera el caso, la energía oscura evolucionaría a medida que el universo se expandiera, y el fondo cósmico de microondas, que muestra cómo era el universo apenas unos años después de su creación, tendría una predicción diferente a la constante de Hubble.

pero, Las últimas investigaciones realizadas por mi equipo. Descubrió que los físicos no pueden explicar el tensor de Hubble simplemente cambiando la tasa de expansión del Universo tardío; toda esta clase de soluciones es inadecuada.

Explora nuevos modelos

Para estudiar los tipos de soluciones que podrían explicar el tensor de Hubble, Desarrollo de herramientas estadísticas. Lo que nos permitió probar la validez de toda una clase de modelos que cambian la tasa de expansión en el Universo tardío. Estas herramientas estadísticas son muy flexibles y las hemos utilizado para unir o imitar diferentes modelos que pueden ajustarse a las observaciones de la tasa de expansión del universo y pueden proporcionar una solución al tensor de Hubble.

Los modelos que probamos incluyen modelos sofisticados de energía oscura, donde la energía oscura actúa de manera diferente en diferentes momentos del universo. También probamos modelos de interacción entre energía oscura y materia oscura, donde la energía oscura interactúa con la materia oscura, y modelos de gravedad modificados, donde la gravedad actúa de manera diferente en diferentes momentos del universo.

Pero ninguno de estos puede explicar completamente la inquietud del Hubble. Estos resultados sugieren que los físicos deben estudiar el universo primitivo para comprender la fuente de la tensión.

Escrito por Ryan Kelly, investigador postdoctoral en física, Universidad de California, Merced.

Adaptado de un artículo publicado originalmente en Conversación.