La sonda SuperNova / Acceleration, SNAP. Crédito de la imagen: Berkeley Lab Haga Click para agrandar
¿Cuál es la misteriosa energía oscura que está acelerando la expansión del universo? ¿Es alguna forma de la famosa constante cosmológica de Einstein, o es una fuerza repulsiva exótica, llamada "quintaesencia", que podría representar hasta tres cuartos del cosmos? Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio Berkeley) y Dartmouth College creen que hay una manera de averiguarlo.
En un artículo que se publicará en Physical Review Letters, los físicos Eric Linder del Berkeley Lab y Robert Caldwell de Dartmouth muestran que los modelos físicos de la energía oscura se pueden separar en escenarios distintos, que podrían usarse para descartar la constante cosmológica de Einstein y explicar la naturaleza. de energía oscura. Además, los científicos deberían poder determinar cuál de estos escenarios es correcto con los experimentos planificados para la Misión Conjunta de Energía Oscura (JDEM, por sus siglas en inglés) propuesta por la NASA y el Departamento de Energía de EE. UU.
"Los científicos han estado discutiendo la pregunta: ¿con qué precisión necesitamos medir la energía oscura para saber qué es?", Dice Linder. “Lo que hemos hecho en nuestro trabajo es sugerir límites de precisión para las mediciones. Afortunadamente, estos límites deben estar dentro del rango de los experimentos JDEM ".
Linder y Caldwell son miembros del equipo de definición científica del DOE-NASA para JDEM, que tiene la responsabilidad de elaborar los requisitos científicos de la misión. ¿Linder es el líder del grupo teórico de SNAP? la sonda SuperNova / Acceleration, uno de los vehículos propuestos para llevar a cabo la misión JDEM. Caldwell, profesor de física y astronomía en Dartmouth, es uno de los creadores del concepto de quintaesencia.
En su artículo en Physical Review Letters, Linder y Caldwell describen dos escenarios, uno que llaman "descongelación" y otro que llaman "congelación", que apuntan hacia destinos claramente diferentes para nuestro universo en constante expansión. Bajo el escenario de descongelación, la aceleración de la expansión disminuirá gradualmente y eventualmente se detendrá, como un automóvil cuando el conductor afloja el acelerador. La expansión puede continuar más lentamente, o incluso el universo puede volver a colapsar. Bajo el escenario de congelación, la aceleración continúa indefinidamente, como un automóvil con el acelerador pisado el piso. El universo se volvería cada vez más difuso, hasta que finalmente nuestra galaxia se encontrara sola en el espacio.
Cualquiera de estos dos escenarios descarta la constante cosmológica de Einstein. En su artículo, Linder y Caldwell muestran, por primera vez, cómo separar limpiamente la idea de Einstein de otras posibilidades. En cualquier escenario, sin embargo, la energía oscura es una fuerza que debe tenerse en cuenta.
Linder dice: “Debido a que la energía oscura constituye aproximadamente el 70 por ciento del contenido del universo, domina sobre el contenido de la materia. Eso significa que la energía oscura gobernará la expansión y, en última instancia, determinará el destino del universo ".
En 1998, dos grupos de investigación sacudieron el campo de la cosmología con sus anuncios independientes de que la expansión del universo se está acelerando. Al medir el desplazamiento al rojo de la luz de las supernovas Tipo Ia, las estrellas del espacio profundo que explotan con una energía característica, los equipos del Proyecto de Cosmología de Supernova con sede en Berkeley Lab y el Equipo de Búsqueda de Supernovas High-Z centrado en Australia determinaron que la expansión del universo en realidad está acelerando, no desacelerando. La fuerza desconocida detrás de esta expansión acelerada recibió el nombre de "energía oscura".
Antes del descubrimiento de la energía oscura, la sabiduría científica convencional sostenía que el Big Bang había resultado en una expansión del universo que gradualmente sería ralentizada por la gravedad. Si el contenido de materia en el universo proporcionara suficiente gravedad, un día la expansión se detendría por completo y el universo volvería a caer sobre sí mismo en un Big Crunch. Si la gravedad de la materia fuera insuficiente para detener completamente la expansión, el universo continuaría flotando para siempre.
"A partir de los anuncios en 1998 y las mediciones posteriores, ahora sabemos que la expansión acelerada del universo no comenzó hasta algún momento en los últimos 10 mil millones de años", dice Caldwell.
Los cosmólogos ahora están luchando para determinar qué es exactamente la energía oscura. En 1917, Einstein modificó su Teoría general de la relatividad con una constante cosmológica que, si el valor fuera correcto, permitiría al universo existir en un estado estático perfectamente equilibrado. Aunque el físico más famoso de la historia más tarde llamaría la adición de esta constante su "mayor error", el descubrimiento de la energía oscura ha revivido la idea.
"La constante cosmológica era una energía de vacío (la energía del espacio vacío) que evitaba que la gravedad atrajera al universo sobre sí misma", dice Linder. “Un problema con la constante cosmológica es que es constante, con la misma densidad de energía, presión y ecuación de estado a lo largo del tiempo. La energía oscura, sin embargo, tenía que ser insignificante en las primeras etapas del universo; de lo contrario, las galaxias y todas sus estrellas nunca se habrían formado ".
Para que la constante cosmológica de Einstein resulte en el universo que vemos hoy, la escala de energía tendría que ser muchos órdenes de magnitud más pequeña que cualquier otra cosa en el universo. Si bien esto puede ser posible, dice Linder, no parece probable. Ingrese el concepto de "quintaesencia", llamado así por el quinto elemento de los antiguos griegos, además de aire, tierra, fuego y agua; creían que era la fuerza que mantenía la luna y las estrellas en su lugar.
"La quintaesencia es una forma de energía dinámica, evolutiva y espacialmente dependiente con presión negativa suficiente para impulsar la expansión acelerada", dice Caldwell. “Mientras que la constante cosmológica es una forma de energía muy específica? energía de vacío? la quintaesencia abarca una amplia clase de posibilidades ".
Para limitar las posibilidades de quintaesencia y proporcionar objetivos firmes para las pruebas básicas que también confirmarían su candidatura como fuente de energía oscura, Linder y Caldwell utilizaron un campo escalar como modelo. Un campo escalar posee una medida de valor pero no de dirección para todos los puntos en el espacio. Con este enfoque, los autores pudieron mostrar la quintaesencia como un campo escalar que relaja su energía potencial hasta un valor mínimo. Piense en un conjunto de resortes bajo tensión y ejerciendo una presión negativa que contrarresta la presión positiva de la gravedad.
"Un campo escalar de quintaesencia es como un campo de resortes que cubre cada punto del espacio, con cada resorte estirado a una longitud diferente", dijo Linder. "Para la constante cosmológica de Einstein, cada primavera tendría la misma longitud e inmóvil".
Bajo su escenario de descongelación, la energía potencial del campo de la quintaesencia fue "congelada" en su lugar hasta que la disminución de la densidad del material de un universo en expansión la liberó gradualmente. En el escenario de congelación, el campo de la quintaesencia ha estado rodando hacia su potencial mínimo desde que el universo sufrió inflación, pero a medida que llega a dominar el universo gradualmente se convierte en un valor constante.
La propuesta de SNAP está en investigación y desarrollo por físicos, astrónomos e ingenieros en Berkeley Lab, en colaboración con colegas de la Universidad de California en Berkeley y muchas otras instituciones; requiere un telescopio reflector de dos espejos y 2 metros en la órbita del espacio profundo que se usaría para encontrar y medir miles de supernovas Tipo Ia cada año. ¿Estas mediciones deberían proporcionar suficiente información para señalar claramente el escenario de descongelación o congelación? o a algo completamente nuevo y desconocido.
Según Linder, "si los resultados de mediciones como las que se podrían hacer con SNAP se encuentran fuera de los escenarios de descongelación o congelación, entonces tendremos que mirar más allá de la quintaesencia, quizás a una física aún más exótica, como una modificación de la Teoría General de Einstein de la relatividad para explicar la energía oscura ".
Fuente original: Comunicado de prensa de Berkeley Lab
