¿La misteriosa energía oscura es constante en el espacio y el tiempo?

En 2011, el Premio Nobel de Física otorgó a los descubridores de la reciente aceleración, en los últimos mil millones de años, de la expansión del Universo observable. Esperábamos una desaceleración continua desde el Big Bang.

Al contrario de lo que pudiera pensarse a primera vista por no leer las explicaciones del comité del Nobel, no se trataba del descubrimiento de la energía oscura. Esta es solo una forma de interpretar la aceleración de la expansión y darle algún significado a lo que la explica en las ecuaciones relativistas de la gravitación de Einstein, su famosa constante cosmológica.

Entre las posibles interpretaciones de esta constante hay una que la convierte en una característica simple de la teoría de la gravitación como lo es la constante de Newton incorporada a esta teoría. También podría ser un mínimo de densidad de energía de un campo escalar similar al Brout-Englert-Higgs.

En este último caso, la constante cosmológica de Einstein sería efectivamente una cantidad dinámica capaz de evolucionar en el espacio, pero también en el tiempo, lo que podría ayudar a resolver la actual crisis cosmológica.

¿Energía cuántica del vacío?

Por otro lado, podría ser una manifestación de lo que se conoce como la energía de punto cero de los campos cuánticos, ya sea el campo electromagnético o los campos de Dirac para partículas materiales, quarks y leptones. También habría una contribución desde el punto cero del campo gravitatorio. Por cierto, todos estos puntos cero son consecuencia de las desigualdades de Heisenberg que prohíben que una partícula tenga simultáneamente una posición infinitamente precisa y una velocidad cero. Por lo tanto, necesariamente existe un estado básico de fluctuación y actividad de un campo cuántico que no puede ser disminuido. La constante cosmológica sería entonces necesariamente constante en el tiempo y el espacio y sería imposible extraer energía del vacío cuántico ocupado por estos campos, o bien involucraría otras mecánicas cuánticas.

Helge Kragh, célebre historiador de la ciencia de la Universidad de Copenhague, explica con motivo del coloquio sobre la publicación delManual de Oxford de la historia de las interpretaciones cuánticas que el problema de la energía de punto cero de los campos cuánticos concierne a la cosmología desde sus orígenes o casi. Para una traducción al francés muy precisa, haga clic en el rectángulo blanco en la esquina inferior derecha. Deberían aparecer subtítulos en inglés. Luego haga clic en la tuerca a la derecha del rectángulo, luego en «Subtítulos» y finalmente en «Traducir automáticamente». Elija «Francés». © Ideas en la ciencia

Una forma de decidir entre estas teorías es hacer mediciones cada vez más precisas en el espacio y el tiempo del valor de la constante cosmológica.

Una forma de hacerlo se basa en que la aceleración de expansión provocada por la energía oscura se comporta como una especie de efecto antigravedad con una expansión del espacio que se opone a la atracción gravitatoria clásica. . El efecto es insignificante en el Sistema Solar ya nivel de galaxia, pero puede empezar a sentirse a nivel de cúmulos de galaxias, oponiéndose a su formación y a sus movimientos.

Los cúmulos de galaxias se pueden estudiar aprovechando que están bañados en plasma muy caliente y, en consecuencia, emiten rayos X. El instrumento eRosita, construido por el Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre de Alemania y parte de la Federación Rusa- Observatorio espacial alemán Spektr- ID

Un crecimiento en el número de cúmulos de galaxias inhibidos por la naturaleza de la energía oscura.

Recientemente, I-Non Chiu de la Universidad Nacional Cheng Kung de Taiwán, en colaboración con astrofísicos de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) Matthias Klein, Sebastian Bocquet y Joe Mohr, publicaron un primer estudio de energía oscura utilizando eRosita, que se basa precisamente en el estudio de cúmulos de galaxias. Esto dio como resultado un artículo que se puede consultar en acceso abierto en arXiv.

En el comunicado de prensa de LMU que acompaña a este artículo, Matthias Klein explica que “ podemos aprender mucho sobre la naturaleza de la energía oscura contando el número de cúmulos de galaxias formados en el Universo en función del tiempo, o desde una perspectiva de observación directa en función del corrimiento al rojo «. Ese número es una función de las características de la energía oscura y las teorías que las predicen.

Así se determinó en el marco de la campaña de observación denominada Encuesta Final de Profundidad Ecuatorial eRosita (eFEDS), un preámbulo que cubre alrededor del 1% de la bóveda del cielo para una campaña que lo cubrirá por completo.

Todavía quedan unos 500 cúmulos de galaxias distribuidos en una especie de zanahoria temporal a lo largo de estratos de luz que cubren los últimos 10.000 millones de años del cosmos observable estudiado.

Con la precisión de las mediciones actuales, los investigadores concluyeron, nuevamente, que la densidad de energía de la energía oscura parece ser uniforme en el espacio y constante en el tiempo.

» Nuestros resultados también concuerdan bien con otros enfoques independientes, como estudios previos de cúmulos de galaxias, así como aquellos que utilizan lentes gravitacionales débiles y el fondo cósmico de microondas. Hasta ahora, toda la evidencia observacional, incluidos los resultados eFEDS más recientes, sugieren que la energía oscura se puede describir mediante una constante simple concluye Sebastian Bocquet.

Deberíamos saber más con la misión Euclid y el telescopio Vera Rubín. Una constante cosmológica cambiante podría significar que algún día habrá una reversión de la expansión y, por lo tanto, un nuevo Big Bang. De lo contrario, la expansión continuaría por la eternidad, pero incluso la eternidad podría llegar a su fin según el Premio Nobel de Física Roger Penrose…

Sabemos muy poco sobre el Universo. Los ingredientes que constituyen el 4% de su densidad de energía, materiales «normales» como protones y neutrones, son solo una pequeña parte de la «receta del universo». La composición del 96% restante es un misterio. Hoy en día, se cree que el 26% es materia oscura. Sin embargo, la mayor parte, estimada en un 70%, está compuesta por energía oscura. Para comprender su naturaleza, los científicos observan estrellas increíblemente grandes y extremadamente calientes, cúmulos de galaxias, que se componen de varios miles de galaxias que se mueven a diferentes velocidades en un campo gravitatorio común. En su interior, estas extrañas estructuras están llenas de un gas tenue y extremadamente caliente que se puede observar a través de sus emisiones de rayos X. Las galaxias y ver cómo se mueven en el Universo y, sobre todo, qué tan rápido se mueven. Con suerte, estos movimientos nos dirán más sobre la energía oscura. © Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)