La investigación encuentra una posible explicación para acelerar la expansión cósmica que desafía a los modelos cosmológicos estándar.
Stuart Gary informa.
Un modelo del universo que tenga en cuenta la distribución irregular de las galaxias puede hacer que la energía oscura desaparezca. Crédito de la imagen: NASA, H. FORD (JHU), G. ILLINGWORTH (UCSC / LO), M. CLAMPIN (STSCI), G. HARTIG (STSCI), ACS SCIENCE TEAM AND ESA
Por Stuart Gary, para Cosmos Septiembre 27 de 2017
La aceleración de la expansión del universo debido a una misteriosa cantidad llamada "energía oscura" puede no ser real, según una investigación que afirma que podría ser simplemente un apariencia causada por la estructura física del cosmos.
Los hallazgos, reportados en los Avisos Mensuales de la Real Sociedad Astronómica, afirman que el ajuste de las supernovas Tipo Ia a un universo modelo sin energía oscura parece ser ligeramente mejor que el ajuste usando el modelo estándar de energía oscura.
El autor principal del estudio, David Wiltshire, de la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda, dice que los modelos existentes de energía oscura están basados en un universo homogéneo en el cual la materia está distribuida uniformemente.
"El universo real tiene una estructura mucho más complicada, que comprende galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos dispuestos en una red cósmica de hojas gigantes y filamentos que rodean vastos vacíos casi vacíos", dice Wiltshire.
Los modelos actuales del universo requieren energía oscura para explicar la aceleración observada en la velocidad a la que el universo se está expandiendo.
Los científicos basan esta conclusión en mediciones de las distancias a las supernovas de Tipo 1a en galaxias lejanas, que parecen estar más lejos de lo que serían si la expansión del universo no se acelerara.
Las supernovas de tipo 1a son explosiones poderosas lo suficientemente brillantes como para eclipsar brevemente una galaxia entera. Son causados por la destrucción termonuclear de un tipo de estrella conocida como una enana blanca - el cadáver estelar de una estrella parecida al Sol.
Se cree que todas las supernovas de Tipo 1 explotan alrededor de la misma masa - una figura conocida en astrofísica como el límite de Chandrasekhar - que equivale a aproximadamente 1,44 veces la masa del Sol.
Debido a que todos explotan en la misma masa, también explotan con el mismo nivel de luminosidad.
Esto permite a los astrónomos usarlas como velas estándar para medir las distancias cósmicas a través del universo. De la misma manera, se puede determinar qué tan lejos está una hilera de farolas a lo largo de un camino por la luminosidad de cada una de ellas.
En una escala galáctica, la gravedad parece ser más fuerte de lo que los científicos pueden explicar, utilizando la materia normal del universo, el material del modelo estándar de física de partículas, que compone todas las estrellas, planetas, edificios y personas.
Para explicar sus observaciones, los científicos inventaron "materia oscura", una sustancia misteriosa que parece interactuar sólo gravitacionalmente con la materia normal.
Para explicar las observaciones de la ciencia sobre cómo se mueven las galaxias, debe haber alrededor de cinco veces más materia oscura que la materia normal.
Se llama oscuro porque sea lo que sea, no puede emitir luz. Los científicos sólo pueden ver sus efectos gravitacionalmente sobre la materia normal.
En las escalas cósmicas aún más grandes de un universo en expansión, la gravedad parece ser más débil de lo esperado en un universo que contiene sólo materia normal y materia oscura.
Y así, los científicos inventaron una nueva fuerza, llamada "energía oscura", una especie de fuerza antigravitacional que causó una aceleración en la expansión del universo desde el big bang hace 13.800 millones de años.
La energía oscura no se nota en pequeñas escalas, sino que se convierte en la fuerza dominante del universo en las escalas cósmicas más grandes: casi cuatro veces mayor que la gravedad de la materia normal y la materia oscura combinada.
La idea de energía oscura no es nueva. Albert Einstein primero lo explicó para explicar un problema que estaba teniendo cuando aplicó sus famosas ecuaciones de la teoría de la relatividad general de 1915 a todo el universo.
Como otros científicos de la época, Einstein creía que el universo estaba en un estado estable e inmutable. Sin embargo, cuando se aplicó a la cosmología, sus ecuaciones mostraron que el universo quería expandirse o contraerse cuando la materia interactúa con la estructura del espacio-tiempo: la materia le dice al espaciotiempo cómo curvar, y el espaciotiempo le dice a la materia cómo moverse.
Para resolver el problema, Einstein introdujo una fuerza de energía oscura en 1917 a la que llamó la "constante cosmológica".
Fue una invención matemática, un factor de fudge diseñado para resolver las discrepancias entre la teoría de la relatividad general y la mejor evidencia observacional del día, trayendo así el universo de nuevo a un estado estable.
Años más tarde, cuando el astrónomo Edwin Hubble descubrió que las galaxias parecían estar alejándose unas de otras, y el ritmo al que se movían era proporcional a su distancia, Einstein comprendió su error, describiendo la constante cosmológica como el mayor error de su vida.
Sin embargo, la idea nunca se ha ido realmente, y sigue reapareciendo para explicar observaciones extrañas.
A mediados de los años 90, dos equipos de científicos, uno dirigido por Brian Schmidt y Adam Riess, y el otro por Saul Perlmutter, midieron independientemente las distancias a las supernovas Tipo 1a en el universo lejano, encontrando que parecían estar más lejos de lo que deberían ser si la tasa de expansión del universo era constante.
Las observaciones llevaron a la hipótesis de que algún tipo de energía oscura de la energía anti-gravitacional ha causado la expansión del universo para acelerar durante los últimos seis millones de años.
Wiltshire y sus colegas ahora cuestionan ese razonamiento.
"Pero estas observaciones se basan en un viejo modelo de expansión que no ha cambiado desde la década de 1920", dice.
En 1922, el físico ruso Alexander Friedmann utilizó las ecuaciones de campo de Einstein para desarrollar una cosmología física que gobierna la expansión del espacio en modelos homogéneos e isotrópicos del universo.
"La ecuación de Friedmann asume una expansión idéntica a la de una sopa sin rasgos, sin estructura complicada", dice Wiltshire.
Esto se ha convertido en la base de la cosmología Lambda Cold Dark Matter estándar utilizada para describir el universo.
"En realidad, el universo actual no es homogéneo", dice Wiltshire.
La primera instantánea del universo, llamada radiación cósmica de fondo de microondas, muestra sólo ligeras variaciones de temperatura causadas por las diferencias de densidad presentes 370.000 años después del Big Bang.
Sin embargo, las inestabilidades gravitacionales llevaron a esas pequeñas variaciones de densidad a evolucionar hacia las estrellas, galaxias y racimos de galaxias, que constituían la estructura a gran escala del universo actual.
"El universo se ha convertido en una gran red cósmica dominada en volumen por vacíos vacíos, rodeados por hojas de galaxias y roscados por filamentos finos", dice Wiltshire.
En lugar de comparar las observaciones de la supernova con el modelo cosmológico Lambda Cold Dark Matter estándar, Wiltshire y sus colegas usaron un modelo diferente, llamado "cosmología del tiempo".
La cosmología de Timescape no tiene energía oscura. En su lugar, incluye variaciones en los efectos de la gravedad causados por la irregularidad en la estructura en el universo.
Los relojes llevados por los observadores en galaxias difieren del reloj que mejor describe la expansión promedio cuando las variaciones dentro del universo (conocidas como "inhomogeneidad" en el comercio) se hacen significativas.
Sea o no una infers aceleración de la expansión entonces depende crucialmente en el reloj utilizado.
"La cosmología de Timescape ofrece un ajuste ligeramente mejor al catálogo de datos de supernova más grande que la cosmología Lambda Cold Dark Matter", dice Wiltshire.
Admite que la evidencia estadística aún no es lo suficientemente fuerte como para gobernar definitivamente a favor de un modelo sobre el otro y agrega que futuras misiones como la nave espacial Euclid de la Agencia Espacial Europea tendrán el poder de distinguir entre diferentes modelos cosmológicos.
Otro problema involucra la comprensión de la ciencia de las supernovas de Tipo 1a. No son en realidad velas estándar perfecto, a pesar de ser tratados como tales en los cálculos.
Dado que la cosmología del tiempo usa una ecuación diferente para la expansión media, ofrece a los científicos una nueva forma de probar los cambios en las propiedades de las supernovas sobre la distancia.
Independientemente de qué modelo finalmente encaje mejor, una mejor comprensión de esto aumentará la confianza con la que los científicos pueden utilizarlos como indicadores de distancia precisos.
Responder a preguntas como estas ayudará a los científicos a determinar si la energía oscura es real o no, un paso importante para determinar el destino final del universo.
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