Energía oscura y constante cosmológica

Por Francisco R. Villatoro, el 17 julio, 2008. Categoría(s): Astrofísica • Astronomía • Ciencia • Física • LHC - CERN • Materia oscura • Relatividad • WMAP

Me ha gustado el artículo de T. Padmanabhan, “DARK ENERGY AND ITS IMPLICATIONS FOR GRAVITY,” ArXiv preprint, 16 July 2008 . El artículo propone que los problemas de qué es la energía oscura en el universo y el problema de la constante cosmológica son completamente independientes entre sí. La idea me gusta. Permítaseme parafresear su introducción.

El universo más simple que podemos imaginar contiene solamente materia visible (bariones) y radiación (energía). En el modelo matemático más sencillo del universo en expansión desde el big bang hay una densidad crítica (ρc) por encima de la cual el universo es abierto y se expande eternamente y por debajo de la cual es cerrado y acabará contrayéndose en un big crunch. La densidad de la materia bariónica (ρb) y de la radiación (ρr) se normalizan respecto a la densidad crítica dando lugar al parámetro adimensional Omega, sea Ob (=ρb/ρc) u Or (=ρr/ρc) para la materia bariónica y para la radiación, respectivamente, siendo O el valor total para el universo. Si O>1 es abierto, si O<1 es cerrado, y si O=1 es el universo es plano. Hasta principios de los 1980s se pensaba que el valor correcto del parámetro O (densidad de “contenido” del universo) era menor de la unidad, aunque algunos autores “gustaban” de un valor O=1.

Sin embargo, las observaciones astronómicas desde mediados de los 1970s indican que la mayoría de la materia en el universo no es bariónica, no es visible, es materia oscura. Es decir, la densidad de materia Om en el universo es fundamentalmente materia oscura Oo en lugar de materia visible Ob. Más aún, a principios de los 1980s se desarrolló el modelo inflacionario, el universo en sus primeros instantes sufre una expansión exponencial, que tiene como consecuencia la preferencia por un valor O=1 (valor crítico). Durante los 1980s, los cosmólogos teóricos preferían un modelo con O=Oo=1, aunque los datos astronómicos de los cosmólogos observacionales sugerían que Om=Oo=0.2-0.3. Sólo a finales de los 1980s y principios de los 1990s algunos teóricos sugirieron que podría existir alguna forma o componente de densidad de energía “oscura” Oe que reconciliará el resultado inflacionario O=1 con los datos experimentales Om=0.2-0.3. Los primeros análisis indicaban que este tipo de “energía” estaba distribuida uniformemente por todo el universo y que tenía una presión negativa (responde de forma antigravitatoria).

Este era el estado de las cosas hasta finales de 1990s, cuando las observaciones de supernovas Ia como candelas para medir distancias grandes mostró que la expansión del universo actualmente se está acelerando, lo que se puede explicar con una componente de energía oscura Oe=0.60-0.75. Cuando se trata esta energía como un fluido, su presión es negativa (si su densidad de energía es positiva). La elección más sencilla para explicar esta energía oscura es la existencia de una constante cosmológica en las ecuaciones de Einstein de la gravedad. Este término en dichas ecuaciones actúa como un fluido con presión negativa, compatible con las observaciones.

Dibujo20130207 composition of the cosmos

El resultado es un universo con una composición, cuando menos, extraña. La densidad de radiación (energía “visible”) es ridícula, Or=0.00005, la densidad bariónica (materia “visible”) es muy pequeña, Om=0.04, la densidad no bariónica (materia “oscura”) tiene Oo=0.26 y la energía oscura tiene Oe=0.70. Como no sabemos qué es la materia oscura y no tenemos una explicación “buena” para la energía oscura, el 99.6% del universo no es desconocido.

En relatividad general la aceleración de la expansión del universo está controlada por la suma de la densidad más 3 veces la presión, (ρ+3p) y no solamente la densidad ρ. Cuando (ρ+3p)>0, la gravedad total resultante es atractiva y la expansión se desacelera. Por el contrario, cuando (ρ+3p)<0 la gravedad muestra efectos “repulsivos” y la expansión del universo se acelera. En otras palabras, si la energía oscura domina sobre la materia, genera suficiente presión negativa para que el universo acelere su expansión. Ese es el resultado experimental observado por el corrimiento al rojo del espectro de las supernovas.

El nuevo modelo de “cómo parece que son las cosas” es muy bueno a la hora de predecir cosas y concuerda con un gran número de observaciones cosmológica independientes, las mas importantes son las siguientes:(a) Pequeñas fluctuaciones cuánticas en la distribución de energía en los inicios del universo fueron amplificados por una inestabilidad gravitatoria lo que las llevó a formar el núcleo de las futuras grandes estructuras del universo (galaxias, cúmulos, etc.) que existen hoy en día. La amplificación se produjo gracias a un periodo inflacionario de expansión exponencial. Las fluctuaciones cuánticas amplificadas son las fluctuaciones del campo de energía responsable de ésta, llamado campo inflatón, cuya naturaleza exacta actualmente es una incógnita.
(b) Aunque desconocemos el modelo exacto del inflatón, con lo que carece de poder predictivo per se, los posibles modelos tienen parámetros ajustables que permiten que el campo de fluctuaciones cuánticas tenga un espectro gaussiano caracterizado por un espectro de potencia compatible con las observaciones del fondo cósmico de microondas obtenidas por la sonda WMAP. Las observaciones de gran precisión de WMAP confirman este escenario (o mejor, el escenario se puede adaptar fácilmente a las observaciones).
(c) Simulaciones numéricas de la posible evolución de las pequeñas perturbaciones en el campo del inflatón permiten observar universos con características estadísticas para la materia bariónica (la visible) muy similares (estadísticamente, he dicho) a las observadas astronómicamente.
(d) Más aún, la cantidad de deuterio (hidrógeno pesado) estimada en el universo es compatible con una nucleosíntesis primordial en un universo con los parámetros previamente descritos. La nucleosíntesis “prueba” el universo cuando tenía sólo unos pocos minutos, mientras que el fondo cósmico de microondas lo prueba con varios cientos de miles de años. Que ambas observaciones sean compatibles es una prueba muy importante de lo razonable del modelo.

En palabras de Padmanabhan, “aunque no entendemos nuestro universo, hemos tenido mucho éxito en parametrizar nuestra ignorancia en términos de unos números bien elegidos.”

El mayor problema de nuestra comprensión de nuestro universo es el la energía oscura. El modelo más sencillo para la energía oscura considera que no es un fluido de presión negativa (que tendría una ecuación de estado p=w.ρ con w=−0.8 ) sino que es un valor no nulo de la constante cosmológica λ (con ecuación de estado p=−ρ, es decir, w=−1). Sin embargo, esto acarrea un nuevo problema, el problema de la constante cosmológica. Si adimensionalizamos las ecuaciones de Einstein para obtener un escala “natural” para la constante cosmológica, utilizando unidades de Planck, el único valor razonable para la escala de λ es 10^(−123), sí, un valor 123 órdenes de magnitud menor que la unidad. Esto ha llevado a mucha gente a creer que la constante cosmológica es exactamente cero. Pero las observaciones indican que su valor es no nulo. ¿Por qué la constante cosmológica tiene un valor no nulo tan pequeño?

Normalmente el valor nulo de una constante está relacionado con una simetría en las ecuaciones (alguna magnitud que se conserva de forma exacta). Sin embargo, no se conoce tal magnitud asociada a λ=0 (no la hay en las ecuaciones de Einstein). Por ejemplo, que el fotón tenga masa en reposo exactamente cero está relacionada con la simetría o invarianza de fase en el electromagnetismo (electrodinámica cuántica). La supersimetría, aún no descuberta experimentalmente pero que está en los objetivos del próximo LHC del CERN, asegura que λ=0, a alta energía, pero esta simetría está rota a baja energía y no puede explicar dicho valor en un contexto cosmológico.

Finalmente, hay otro problema importante en relación a la constante cosmológica que aparece frecuentemente en la literatura científia, ¿por qué ahora? Por qué en “nuestra” época del universo la contribución de la energía oscura a la densidad del contenido del universo (la enegía oscura) es comparable a la energía del resto de la materia del universo. hat could be called the “why now” problem of the cosmological constant. Según, Padmanabhan una teoría capaz de predecir el valor numérico actual de λ, debe también resolver el problema de por qué ahora su valor es comparable al resto de la densidad de energía. Actualmente tal teoría no existe.

http://www.redbubble.com/people/ctoledo
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Actualmente no tenemos ninguna teoría que explique los valores de las densidades de las componentes del universo. Ni ρr cuyo valor lo conocemos por la temperatura del fondo de microondas, para la que no tenemos ninguna teoría que explique por qué vale 2.73 ºK cuando han transcurrido cierto número de miles de millones de años desde que se formaron las galaxias. Ni tampoco tenemos ninguna teoría que explique el cociente de ρr/ρb, ni … En resumen, necesitamos nuevos datos experimentales pero también necesitamos nuevas “mentes”, nuevos “genios” que pongan los puntos sobre las íes en estos acuciantes problemas cosmológicos.



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