Durante más de un siglo, los científicos han sabido que el universo se ha estado expandiendo desde el Big Bang , el evento primordial que inició todo hace miles de millones de años .
Pero hasta ahora, no han podido resolver un problema complicado. ¿Qué tan rápido se está expandiendo? Esto se debe a que existe una disparidad entre la tasa estimada basada en la radiación que quedó del Big Bang, conocida como fondo cósmico de microondas, o CMB en la jerga científica, y el ritmo significativamente más rápido basado en observaciones de supernovas. La tasa de expansión del universo se conoce como la constante de Hubble, por lo que la disparidad se conoce como la "tensión de Hubble".
Los científicos han sostenido la creencia de que la continua expansión del universo ha sido impulsada por una fuerza llamada energía oscura, que parece haber comenzado a revertir la desaceleración del universo 7 u 8 mil millones de años después del Big Bang.
¿Qué es la energía oscura?
"La energía oscura es una fuente hipotética de energía en el universo actual que, según nuestra mejor comprensión del universo, comprende aproximadamente el 70 por ciento de la energía total en el universo", explica Glenn Starkman , un distinguido profesor universitario y copresidente de la Departamento de Física de la Universidad Case Western Reserve.
"La principal evidencia de su existencia es la expansión acelerada del universo que parece haber estado ocurriendo durante los últimos miles de millones de años", dice Starkman. "Para impulsar tal expansión se requiere una fuente de energía que no se diluya más (o se diluya muy poco) a medida que el universo se expande. Esto descalifica a la mayoría de las fuentes de energía, por ejemplo, materia ordinaria o materia oscura, las cuales se vuelven menos denso a medida que el universo se hace más grande. El modelo más simple de energía oscura es que es la densidad de energía invariable asociada con el espacio vacío. Como tal, si el espacio se expande, la densidad de la energía oscura se mantendrá constante ".
Pero hay muchas cosas que no tienen explicación sobre la energía oscura, incluido por qué no existió todo el tiempo. E incluso la inclusión de energía oscura en el modelo estándar no resuelve la disparidad entre las dos medidas de expansión cósmica.
¿Y la energía oscura temprana?
Pero dos estudios nuevos, aún por publicar, ambos basados en datos recopilados entre 2013 y 2016 por el Telescopio de Cosmología de Atacama (ACT) , pueden ayudar a señalar una posible solución para un problema. Los investigadores creen que han encontrado rastros de un tipo de energía oscura "temprana" que existió en los primeros 300.000 años después del Big Bang. Este artículo reciente en Nature de Davide Castelvecchi dio a conocer por primera vez los dos artículos, uno del equipo de ACT y el otro de un grupo independiente que incluía a Vivian Poulin , astrofísica de la Universidad de Montpellier en Francia, y sus colegas Tristian L. Smith y Alexa Bartlett. de Swarthmore College.
La idea de la energía oscura temprana fue propuesta inicialmente hace unos años por Poulin, entonces becario postdoctoral en la Universidad Johns Hopkins, Smith y sus colegas, como una forma de resolver la cuestión.
"La energía oscura temprana es una propuesta para otra forma de energía oscura, es decir, no está obviamente relacionada con la energía oscura que causa la expansión acelerada de hoy", explica Starkman. EDE "habría jugado un papel importante en el universo hace mucho tiempo, cuando el universo era unas 10.000 veces más pequeño y más caliente de lo que es actualmente". Es un concepto, dice, que "ha sido ideado para resolver ciertos desacuerdos misteriosos sobre la historia de la tasa de expansión del universo".
Como explica el artículo de Nature, la energía oscura temprana no habría sido lo suficientemente fuerte como para causar la expansión acelerada del universo miles de millones de años después. En cambio, lo habría influido indirectamente, al hacer que la mezcla de partículas elementales, o plasma , formada poco después del Big Bang, se enfriara más rápidamente. Eso, a su vez, afectaría la forma en que se debe medir el fondo cósmico de microondas, especialmente las mediciones de la edad y la tasa de expansión del universo basadas en qué tan lejos pueden viajar las ondas sonoras en el plasma antes de que se enfríe en gas, y dar como resultado una velocidad más rápida. tasa de expansión que está más cerca de lo que los astrónomos calculan basándose en los objetos celestes.
La energía oscura temprana es una solución teórica complicada, pero "es el único modelo que podemos poner a trabajar", como explicó a Nature el físico teórico de la Universidad Johns Hopkins Mark Kamionkowski , uno de los autores del artículo sobre energía oscura temprana de 2018.
La conclusión no es clara
Los dos estudios podrían ayudar a reforzar el caso de la energía oscura temprana, pero uno de los investigadores involucrados dice que aún no está del todo convencido y advierte que se necesita más trabajo para llegar a una conclusión clara.
"He sido escéptico sobre los primeros modelos de energía oscura debido a los problemas que enfrentan al hacer coincidir las mediciones de alta precisión de la distribución a gran escala de galaxias y materia en el universo ('estructura a gran escala', o LSS)", Universidad de Columbia el profesor asistente de física J. Colin Hill , coautor del estudio del equipo ACT, señala en un correo electrónico. (El cuestionamiento de Hill del concepto se refleja en este artículo del que fue coautor en 2020, y también en un artículo posterior , y también menciona otro artículo de otros investigadores que plantea complicaciones similares).
"La conclusión de los tres artículos vinculados anteriormente es que los primeros modelos de energía oscura que se ajustan a los datos de CMB y los datos de Riess, et al., H0 producen predicciones para LSS que no coinciden con los datos de estas encuestas", escribe Hill en el Email. "Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que probablemente se necesite un modelo teórico diferente, o al menos alguna modificación del escenario temprano de la energía oscura".
En el nuevo estudio que Hill y sus colegas de ACT publicaron, no consideraron los datos de LSS en el análisis y, en cambio, se centraron casi exclusivamente en los datos de CMB. "El objetivo era realmente ver si los datos de Planck y ACT CMB dieron resultados consistentes en el contexto temprano de la energía oscura. Descubrimos que dan resultados algo diferentes, lo cual es un enigma importante que ahora estamos trabajando arduamente tratando de entender. De mi perspectiva, el problema de LSS para el escenario temprano de energía oscura sigue sin resolverse ".
"Además, los datos de Planck por sí mismos (que siguen siendo el conjunto de datos más precisos en cosmología) no muestran una preferencia por la energía oscura temprana", explica Hill. "Por lo tanto, a pesar de los indicios que hemos visto en los datos de ACT para la energía oscura temprana, sigo siendo cauteloso acerca de si este modelo realmente podría ser la historia final. Necesitaremos más datos para averiguarlo".
Si existiera, la energía oscura temprana habría sido similar a la fuerza que se cree que impulsa la tasa actual de expansión del universo. Pero aún requeriría un replanteamiento significativo del modelo teórico.
"La principal diferencia es que esta energía oscura temprana debe desempeñar un papel sólo durante un breve período en la historia cósmica, y luego debe 'desaparecer'", dice Hill. "Para lograr esto, construimos modelos de física de partículas de un nuevo campo (técnicamente, un campo similar a un axión) que actúa para acelerar brevemente la expansión del universo antes de la recombinación, pero luego se desvanece rápidamente y se vuelve irrelevante".
"En contraste, la imagen principal actual para la energía oscura estándar es que es simplemente una constante cosmológica, probablemente proveniente de la energía del vacío", continúa Hill. "Esta forma de energía no cambia con el tiempo. Sin embargo, es posible que la energía oscura estándar se deba a algún nuevo campo fundamental que aún no hemos entendido. En este caso, bien puede estar evolucionando en el tiempo, y por lo tanto, podría tener alguna similitud con el modelo temprano de energía oscura discutido anteriormente ".
"Nuevamente, necesitaremos más datos para sondear estas preguntas con mayor precisión y, con suerte, encontrar respuestas en la próxima década", dice Hill. "Afortunadamente, pronto estarán disponibles en línea muchos experimentos poderosos". Menciona instalaciones como el Observatorio Simons , que estudiará CMB, así como el Observatorio Rubin y los telescopios espaciales Euclides y Roman , que recogerán nueva información sobre LSS. "Debería ser muy emocionante ver lo que encontramos", dice.
Aquí hay un video de YouTube en el que Hill analiza la energía oscura temprana:
Starkman dice que es importante tener cuidado con tales afirmaciones "extraordinarias", a menos que la evidencia sea clara y convincente. Como señala, también hay evidencia en contra de EDE. "Los resultados actuales muestran tensiones crecientes entre dos conjuntos de datos experimentales de la observación del fondo cósmico de microondas, del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea.que voló a principios de la última década, y desde el actual Telescopio de Cosmología de Atacama. El primero parece no apoyar la idea de la energía oscura temprana, mientras que el segundo lo hace ahora. Tales tensiones entre experimentos son comunes y frustrantes. Es tentador decir que más datos de ACT resolverán el asunto, pero simplemente abrumar los datos de Planck completos con más datos de ACT no explicará por qué los datos de Planck no favorecen a EDE. Es probable que la tensión requiera una comprensión revisada de uno de estos experimentos para proporcionar un caso claro de una forma u otra ".
Wendy Freedman , profesora de astronomía y astrofísica en la Universidad de Chicago que ha trabajado en la medición de la expansión cósmica, cree que es importante seguir varios modelos alternativos.
El modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM)
"Actualmente tenemos un modelo estándar de cosmología, el llamado modelo lambda de materia oscura fría (LCDM)", explica Freedman, autor de este artículo , publicado el 17 de septiembre de 2021 en la Constante de Hubble en The Astrophysical Journal, en un correo electrónico. "En ese modelo, aproximadamente 1/3 de la densidad total de materia + energía se debe a la materia (la mayor parte de la cual es materia oscura) y 2/3 se debe a un componente de la energía oscura".
"Sin embargo, en el momento actual, no conocemos la naturaleza de la materia oscura ni de la energía oscura", continúa Freedman. "Sin embargo, LCDM proporciona un ajuste extremadamente bueno para una amplia gama de experimentos y observaciones diferentes. Dado nuestro estado de conocimiento, es claramente importante probar más el modelo estándar. La aparente discrepancia actual entre el valor de la constante de Hubble inferida de CMB las mediciones y algunas mediciones locales podrían estar señalando una nueva física. Por eso digo que es importante investigar otros modelos más allá de lambda CDM ".
Pero Freedman agrega una advertencia importante: "Alternativamente, puede haber algún error sistemático aún desconocido que sea responsable de la aparente discrepancia. Por lo tanto, también es importante reducir las incertidumbres en las actuales mediciones de la constante de Hubble".
Eso es interesante
Si resulta que existió la energía oscura temprana , calcularla en la estimación de la edad del universo daría como resultado que el cosmos sea 1.400 millones de años más joven que la estimación actual de 13.800 millones de años.
