Una nueva explicación para la energía oscura: la materia en nuestro universo
El compuesto de luz UV-visible-IR completo del XDF; la imagen más grande jamás lanzada del universo distante. Cada galaxia mostrada aquí eventualmente se acelerará lejos de nosotros en mayor que la velocidad de la luz, gracias a la energía oscura. Crédito de la imagen: NASA, ESA, H. Teplitz y M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Universidad Estatal de Arizona) y Z. Levay (STScI)
Por Ethan Siegel, para Forbes Septiembre 01 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son propias de él.
Desde que la expansión del Universo se aceleró hace casi 20 años, los científicos han anhelado una explicación convincente, sencilla y verificable. Sin embargo, a medida que más y más datos proceden de experimentos y observaciones, la causa de esta energía oscura ―la causa hipotética de la aceleración― ha sido enloquecedora. Si bien es funcionalmente equivalente a una "constante cosmológica" (o la "energía inherente al espacio mismo" , no hay una buena manera de llegar a una predicción de su valor. Sin embargo, si consideras que poner ciertas formas de materia en el espacio vacío cambia las fuerzas en esa materia, tal vez la energía oscura surge de la causa más simple de todas: el hecho de que nuestro Universo contiene materia en absoluto.
Un mapa del patrón de aglutinación / agrupamiento que las galaxias en nuestro Universo exhiben hoy. La presencia de estas estructuras podría explicar la presencia y la magnitud de la energía oscura en su totalidad. Crédito de la imagen: Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center
La mayoría de las fuerzas y fenómenos del Universo tienen causas que pueden ser fácilmente descubiertas. Dos objetos masivos experimentan una fuerza gravitacional debido al hecho de que el espacio-tiempo está curvado por la presencia de materia y energía. El Universo se ha expandido como lo ha hecho a lo largo de su historia debido a la densidad de energía cambiante del Universo y a las condiciones de la expansión inicial. Y todas las partículas del Universo experimentan las interacciones que tienen debido a las reglas conocidas de la teoría del campo cuántico y el intercambio de bosones vectoriales. Desde las más pequeñas partículas subatómicas hasta las más grandes escalas de todas, las mismas fuerzas están en juego, manteniendo todo unido desde los protones a las personas a los planetas a las galaxias juntas.
La fuerza fuerte, operando como lo hace debido a la existencia de 'carga de color' y el intercambio de gluones, es responsable de la fuerza que mantiene los núcleos atómicos juntos. Crédito de la imagen: Usuario de Wikimedia Commons Qashqaiilove
Incluso algunos de los fenómenos más misteriosos tienen explicaciones subyacentes que son bien comprendidas. No sabemos cómo ha llegado a haber más materia que antimateria en el Universo, pero sabemos que las condiciones que necesitamos para ello, la violación del número de bariones, las condiciones de equilibrio y la infracción C y CP, existen. No sabemos cuál es la naturaleza de la materia oscura, pero sus propiedades genéricas, dónde se encuentra y cómo se agrupa, se entiende bien. Y no sabemos si los agujeros negros conservan la información o no, pero entendemos los estados finales e iniciales de estos objetos, así como cómo llegan a existir y lo que sucede a sus horizontes de eventos con el tiempo.
Ilustración de un agujero negro y su alrededor, acelera y acelera el disco de acreción. Los estados inicial y final de los agujeros negros pueden ser bien predichos, incluso si la pérdida o retención de información no puede, en la actualidad. Crédito de la imagen: NASA
Pero hay una cosa que no entendemos en absoluto: la energía oscura. Claro, podemos medir la aceleración del Universo, y determinar exactamente cuál es su magnitud. Pero ¿por qué tenemos un Universo con un valor distinto de cero para la energía oscura en absoluto? ¿Por qué debe el espacio vacío , desprovisto de todo -- no importa, ninguna curvatura, ninguna radiación, nada -- tiene una energía positiva, no cero? ¿Por qué debería provocar que el Universo se expanda a un ritmo siempre positivo, nunca alcanza-hacia-cero? ¿Y por qué habría de ser tan increíblemente pequeña esa cantidad de energía que fue completamente imperceptible para los primeros mil millones de años de la historia del Universo y sólo llegó a dominar el Universo en el tiempo en que se estaba formando la Tierra?
Una ilustración de un disco protoplanetario, donde los planetas y los planetesimales forman primero, creando "huecos" en el disco cuando lo hacen. Hace alrededor de cuatro a cinco mil millones de años, cuando nuestro Sistema Solar se estaba formando, la energía oscura simultáneamente venía a dominar la tasa de expansión del Universo y la energía denotada. Crédito de la imagen: NAOJ
Hay muchas cosas que podemos notar acerca de la energía oscura, y el Universo, que son interesantes y sugerentes de una conexión. Hay un montón de espacio vacío , y sabemos que hay campos cuánticos a lo largo de todo. No hay regiones del Universo donde las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas o nucleares no puedan alcanzar; están absolutamente en todas partes. Si tratamos de calcular lo que llamamos el valor de expectativa de vacío (VEV) de los diferentes campos cuánticos de ahí, primero podemos hacerlo sólo aproximadamente, porque hay un número infinito de términos que podemos escribir que van a un orden arbitrariamente alto . Si truncamos la serie en cualquier punto, podemos sumar cuáles son las contribuciones aproximadas, y terminamos muy decepcionados.
Algunos términos que contribuyen a la energía de punto cero en la electrodinámica cuántica. Crédito de la imagen: R. L. Jaffe, de https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf
Si hacemos esa matemática, terminamos con contribuciones que son aproximadamente 120 órdenes de magnitud demasiado grandes, tanto positivas como negativas. Por lo que sabemos, no se cancelan exactamente, e incluso si lo hicieron, todavía tenemos ese problema de observación molestos que el Universo no está recollapsing, (volviendo a colapsar) ralentizando o asymptoting moviendose asintoticamente a una tasa cero; está realmente..., realmente acelerando. De alguna manera hay una energía pequeña pero no nula inherente al espacio mismo. Y esa energía está causando que las galaxias distantes en el Universo aceleren en su recesión de nosotros, aunque muy lentamente, con el tiempo.
Los cuatro destinos posibles de nuestro Universo en el futuro; el último parece ser el Universo en el que vivimos, dominado por la energía oscura. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Quizás la mayor pregunta teórica de todo es ¿por qué? ¿Por qué el Universo se acelera? Literalmente no tenemos una buena explicación de cuál es la causa de esta energía oscura. Hace poco estudiamos la posibilidad de que sean neutrinos congelados, o podría ser un síntoma de que tengamos algo mal con el Universo en expansión. Pero hay otra posibilidad que obtiene muy poca atención que debería tener mucho más: podría ser una propiedad del espacio vacío que es causada por la presencia de otras cosas --como la materia que actúa como un límite eficaz-- en el Universo.
Y la razón de esto es posible porque es un efecto que sabemos que existe: el efecto Casimir.
Una ilustración del efecto de Casimir, y cómo las fuerzas (y estados permitidos / prohibidos del campo electromagnético) en el exterior de las placas son diferentes de las fuerzas en el interior. Crédito de la imagen: Emok / Wikimedia Commons
¿Cuál es la fuerza electromagnética del espacio vacío ? No es nada, por supuesto. Sin cargos, sin corrientes, y sin importar la influencia, es realmente cero; eso no es un truco. Pero si usted pone dos placas de metal a una distancia finita aparte, y luego pregunte qué es la fuerza electromagnética, usted encontrará que no es cero! Debido al hecho de que algunos de los modos de fluctuación de vacío están prohibidos debido a los límites de las placas, no sólo puede predecir sino medir una fuerza distinta de cero entre estas placas, que surge de nada más que el espacio vacío en sí. Como resultado de esto, todas las fuerzas, incluyendo la fuerza gravitacional, exhiben un efecto Casimir también.
Un mapa de más de un milion galaxias en el Universo, donde cada punto es su propia galaxia. Los distintos colores representan las distancias, con una representación más roja más lejana. Crédito de la imagen: Daniel Eisenstein y la colaboración SDSS-III
Entonces, ¿qué sucede si aplicamos este efecto a todo el Universo y tratamos de calcular cuál debería ser el efecto? La respuesta es simple: obtenemos algo que tiene una forma que es consistente con la energía oscura, aunque - una vez más - la magnitud está toda mal. Esto es muy posiblemente, sin embargo, una función del hecho de que no sabemos lo que las condiciones fronterizas del Universo parecen, o cómo calcular este efecto gravitacional cuántico muy bien. Pero es una posibilidad increíble y bien documentada que tiene muchos desarrollos interesantes en curso durante la última década.
La reconstrucción 3D de 120.000 galaxias y sus propiedades de agrupamiento, deducidas de su redshift y formación de estructura a gran escala. Crédito de la imagen: Jeremy Tinker y la colaboración SDSS-III
Mapear el Universo podría resultar ser la parte fácil. Tal vez no va a ser un avance observacional o experimental que nos llevará a la comprensión de la energía oscura, la fuerza más elusiva en el Universo. Tal vez sea una teoría lo que se necesita. Y tal vez está relacionado con la anomalía de traza, tal vez es una cantidad dinámica que ha cambiado con el tiempo, y tal vez es incluso una señal de dimensiones adicionales. El Universo está ahí fuera, y sólo recientemente hemos descubierto este secreto más difícil de explicar. Tal vez la solución, si tenemos cuidado, puede estar en la física que ya conocemos.
Astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor primario de Starts With A Bang! Echa un vistazo a su primer libro, más allá de la galaxia, y buscar su segundo, Treknology, en octubre!
With a little help from Google Translate for Business
Comenzó con una explosión
El Universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
El compuesto de luz UV-visible-IR completo del XDF; la imagen más grande jamás lanzada del universo distante. Cada galaxia mostrada aquí eventualmente se acelerará lejos de nosotros en mayor que la velocidad de la luz, gracias a la energía oscura. Crédito de la imagen: NASA, ESA, H. Teplitz y M. Rafelski (IPAC / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Universidad Estatal de Arizona) y Z. Levay (STScI)
Por Ethan Siegel, para Forbes Septiembre 01 de 2017
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son propias de él.
Desde que la expansión del Universo se aceleró hace casi 20 años, los científicos han anhelado una explicación convincente, sencilla y verificable. Sin embargo, a medida que más y más datos proceden de experimentos y observaciones, la causa de esta energía oscura ―la causa hipotética de la aceleración― ha sido enloquecedora. Si bien es funcionalmente equivalente a una "constante cosmológica" (o la "energía inherente al espacio mismo" , no hay una buena manera de llegar a una predicción de su valor. Sin embargo, si consideras que poner ciertas formas de materia en el espacio vacío cambia las fuerzas en esa materia, tal vez la energía oscura surge de la causa más simple de todas: el hecho de que nuestro Universo contiene materia en absoluto.
Un mapa del patrón de aglutinación / agrupamiento que las galaxias en nuestro Universo exhiben hoy. La presencia de estas estructuras podría explicar la presencia y la magnitud de la energía oscura en su totalidad. Crédito de la imagen: Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Space Flight Center
La mayoría de las fuerzas y fenómenos del Universo tienen causas que pueden ser fácilmente descubiertas. Dos objetos masivos experimentan una fuerza gravitacional debido al hecho de que el espacio-tiempo está curvado por la presencia de materia y energía. El Universo se ha expandido como lo ha hecho a lo largo de su historia debido a la densidad de energía cambiante del Universo y a las condiciones de la expansión inicial. Y todas las partículas del Universo experimentan las interacciones que tienen debido a las reglas conocidas de la teoría del campo cuántico y el intercambio de bosones vectoriales. Desde las más pequeñas partículas subatómicas hasta las más grandes escalas de todas, las mismas fuerzas están en juego, manteniendo todo unido desde los protones a las personas a los planetas a las galaxias juntas.
La fuerza fuerte, operando como lo hace debido a la existencia de 'carga de color' y el intercambio de gluones, es responsable de la fuerza que mantiene los núcleos atómicos juntos. Crédito de la imagen: Usuario de Wikimedia Commons Qashqaiilove
Incluso algunos de los fenómenos más misteriosos tienen explicaciones subyacentes que son bien comprendidas. No sabemos cómo ha llegado a haber más materia que antimateria en el Universo, pero sabemos que las condiciones que necesitamos para ello, la violación del número de bariones, las condiciones de equilibrio y la infracción C y CP, existen. No sabemos cuál es la naturaleza de la materia oscura, pero sus propiedades genéricas, dónde se encuentra y cómo se agrupa, se entiende bien. Y no sabemos si los agujeros negros conservan la información o no, pero entendemos los estados finales e iniciales de estos objetos, así como cómo llegan a existir y lo que sucede a sus horizontes de eventos con el tiempo.
Ilustración de un agujero negro y su alrededor, acelera y acelera el disco de acreción. Los estados inicial y final de los agujeros negros pueden ser bien predichos, incluso si la pérdida o retención de información no puede, en la actualidad. Crédito de la imagen: NASA
Pero hay una cosa que no entendemos en absoluto: la energía oscura. Claro, podemos medir la aceleración del Universo, y determinar exactamente cuál es su magnitud. Pero ¿por qué tenemos un Universo con un valor distinto de cero para la energía oscura en absoluto? ¿Por qué debe el espacio vacío , desprovisto de todo -- no importa, ninguna curvatura, ninguna radiación, nada -- tiene una energía positiva, no cero? ¿Por qué debería provocar que el Universo se expanda a un ritmo siempre positivo, nunca alcanza-hacia-cero? ¿Y por qué habría de ser tan increíblemente pequeña esa cantidad de energía que fue completamente imperceptible para los primeros mil millones de años de la historia del Universo y sólo llegó a dominar el Universo en el tiempo en que se estaba formando la Tierra?
Una ilustración de un disco protoplanetario, donde los planetas y los planetesimales forman primero, creando "huecos" en el disco cuando lo hacen. Hace alrededor de cuatro a cinco mil millones de años, cuando nuestro Sistema Solar se estaba formando, la energía oscura simultáneamente venía a dominar la tasa de expansión del Universo y la energía denotada. Crédito de la imagen: NAOJ
Hay muchas cosas que podemos notar acerca de la energía oscura, y el Universo, que son interesantes y sugerentes de una conexión. Hay un montón de espacio vacío , y sabemos que hay campos cuánticos a lo largo de todo. No hay regiones del Universo donde las fuerzas gravitacionales, electromagnéticas o nucleares no puedan alcanzar; están absolutamente en todas partes. Si tratamos de calcular lo que llamamos el valor de expectativa de vacío (VEV) de los diferentes campos cuánticos de ahí, primero podemos hacerlo sólo aproximadamente, porque hay un número infinito de términos que podemos escribir que van a un orden arbitrariamente alto . Si truncamos la serie en cualquier punto, podemos sumar cuáles son las contribuciones aproximadas, y terminamos muy decepcionados.
Algunos términos que contribuyen a la energía de punto cero en la electrodinámica cuántica. Crédito de la imagen: R. L. Jaffe, de https://arxiv.org/pdf/hep-th/0503158.pdf
Si hacemos esa matemática, terminamos con contribuciones que son aproximadamente 120 órdenes de magnitud demasiado grandes, tanto positivas como negativas. Por lo que sabemos, no se cancelan exactamente, e incluso si lo hicieron, todavía tenemos ese problema de observación molestos que el Universo no está recollapsing, (volviendo a colapsar) ralentizando o asymptoting moviendose asintoticamente a una tasa cero; está realmente..., realmente acelerando. De alguna manera hay una energía pequeña pero no nula inherente al espacio mismo. Y esa energía está causando que las galaxias distantes en el Universo aceleren en su recesión de nosotros, aunque muy lentamente, con el tiempo.
Los cuatro destinos posibles de nuestro Universo en el futuro; el último parece ser el Universo en el que vivimos, dominado por la energía oscura. Crédito de la imagen: E. Siegel / Beyond The Galaxy
Quizás la mayor pregunta teórica de todo es ¿por qué? ¿Por qué el Universo se acelera? Literalmente no tenemos una buena explicación de cuál es la causa de esta energía oscura. Hace poco estudiamos la posibilidad de que sean neutrinos congelados, o podría ser un síntoma de que tengamos algo mal con el Universo en expansión. Pero hay otra posibilidad que obtiene muy poca atención que debería tener mucho más: podría ser una propiedad del espacio vacío que es causada por la presencia de otras cosas --como la materia que actúa como un límite eficaz-- en el Universo.
Y la razón de esto es posible porque es un efecto que sabemos que existe: el efecto Casimir.
Una ilustración del efecto de Casimir, y cómo las fuerzas (y estados permitidos / prohibidos del campo electromagnético) en el exterior de las placas son diferentes de las fuerzas en el interior. Crédito de la imagen: Emok / Wikimedia Commons
¿Cuál es la fuerza electromagnética del espacio vacío ? No es nada, por supuesto. Sin cargos, sin corrientes, y sin importar la influencia, es realmente cero; eso no es un truco. Pero si usted pone dos placas de metal a una distancia finita aparte, y luego pregunte qué es la fuerza electromagnética, usted encontrará que no es cero! Debido al hecho de que algunos de los modos de fluctuación de vacío están prohibidos debido a los límites de las placas, no sólo puede predecir sino medir una fuerza distinta de cero entre estas placas, que surge de nada más que el espacio vacío en sí. Como resultado de esto, todas las fuerzas, incluyendo la fuerza gravitacional, exhiben un efecto Casimir también.
Un mapa de más de un milion galaxias en el Universo, donde cada punto es su propia galaxia. Los distintos colores representan las distancias, con una representación más roja más lejana. Crédito de la imagen: Daniel Eisenstein y la colaboración SDSS-III
Entonces, ¿qué sucede si aplicamos este efecto a todo el Universo y tratamos de calcular cuál debería ser el efecto? La respuesta es simple: obtenemos algo que tiene una forma que es consistente con la energía oscura, aunque - una vez más - la magnitud está toda mal. Esto es muy posiblemente, sin embargo, una función del hecho de que no sabemos lo que las condiciones fronterizas del Universo parecen, o cómo calcular este efecto gravitacional cuántico muy bien. Pero es una posibilidad increíble y bien documentada que tiene muchos desarrollos interesantes en curso durante la última década.
La reconstrucción 3D de 120.000 galaxias y sus propiedades de agrupamiento, deducidas de su redshift y formación de estructura a gran escala. Crédito de la imagen: Jeremy Tinker y la colaboración SDSS-III
Mapear el Universo podría resultar ser la parte fácil. Tal vez no va a ser un avance observacional o experimental que nos llevará a la comprensión de la energía oscura, la fuerza más elusiva en el Universo. Tal vez sea una teoría lo que se necesita. Y tal vez está relacionado con la anomalía de traza, tal vez es una cantidad dinámica que ha cambiado con el tiempo, y tal vez es incluso una señal de dimensiones adicionales. El Universo está ahí fuera, y sólo recientemente hemos descubierto este secreto más difícil de explicar. Tal vez la solución, si tenemos cuidado, puede estar en la física que ya conocemos.
Astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor primario de Starts With A Bang! Echa un vistazo a su primer libro, más allá de la galaxia, y buscar su segundo, Treknology, en octubre!
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