¿Qué podría estar acelerando la expansión del universo?

By: Thomas Lewton

Los físicos han propuesto ingredientes cósmicos adicionales que podrían explicar la expansión del espacio más rápida de lo esperado.

La discrepancia entre qué tan rápido parece expandirse el universo y qué tan rápido esperamos que se expanda es una de las anomalías más obstinadamente persistentes de la cosmología.

Los cosmólogos basan su expectativa de la tasa de expansión, una tasa conocida como la constante de Hubble, en mediciones de la radiación emitida poco después del Big Bang. Esta radiación revela los ingredientes precisos del universo primitivo . Los cosmólogos insertan los ingredientes en su modelo de evolución cósmica y ejecutan el modelo hacia adelante para ver qué tan rápido debería expandirse el espacio en la actualidad.

Sin embargo, la predicción se queda corta: cuando los cosmólogos observan objetos astronómicos como estrellas pulsantes y supernovas en explosión, ven un universo que se expande más rápido, con una constante de Hubble más grande.

La discrepancia, conocida como tensión de Hubble, ha persistido incluso cuando todas las mediciones se han vuelto más precisas. Algunos astrofísicos continúan debatiendo si la tensión podría ser nada más que un error de medición . Pero si la discrepancia es real, significa que algo falta en el modelo del universo de los cosmólogos.

Recientemente, los teóricos han estado ocupados imaginando nuevos ingredientes cósmicos que, cuando se agregan al modelo estándar, acelerarían la tasa de expansión esperada del universo, haciéndolo coincidir con las observaciones.

“El descubrimiento de anomalías es la forma fundamental en que la ciencia avanza”, dijo Avi Loeb , cosmólogo de la Universidad de Harvard y uno de las docenas de investigadores que han propuesto soluciones a la tensión del Hubble.

Estas son algunas de las principales ideas de lo que podría estar acelerando la expansión cósmica.

Materia oscura en descomposición

El modelo estándar de cosmología incorpora todas las formas familiares de materia y radiación y sus interacciones. También incluye las sustancias invisibles conocidas como energía oscura y materia oscura, que juntas constituyen alrededor del 96% del cosmos. Debido a que se sabe tan poco sobre estos ingredientes oscuros, quizás sean el lugar obvio para comenzar a manipular el modelo estándar. “Eso es lo que tienes a tu disposición para cambiar la tasa de expansión del universo”, dijo Loeb.

El modelo estándar asume que la materia oscura consiste en partículas de movimiento lento que no interactúan con la luz. Pero, ¿qué pasa si también asumimos que la materia oscura no está hecha de una sola sustancia? Dado que existen muchos tipos diferentes de partículas visibles (quarks, electrones, etc.), también puede haber múltiples partículas oscuras.

En un artículo publicado el verano pasado en Physical Review D , Loeb y dos colaboradores consideraron una forma de materia oscura que se descompone en una partícula más ligera y una partícula sin masa conocida como fotón oscuro. A medida que más y más materia oscura decayera con el tiempo, razonaron, su atracción gravitacional habría disminuido y, por lo tanto, la expansión del universo se habría acelerado, aliviando la tensión del Hubble.

Pero hacer pequeños cambios como este en el modelo cosmológico estándar puede tener efectos colaterales no deseados. “Es muy fácil idear todo tipo de modificaciones leves”, dijo Marc Kamionkowski , físico teórico de la Universidad Johns Hopkins, pero es difícil hacerlo, dijo, sin arruinar el ajuste perfecto del modelo con una gran cantidad de otras observaciones astronómicas. .

Al variar la tasa de descomposición y la cantidad de materia oscura que se pierde en cada descomposición, Loeb y sus colegas seleccionaron un modelo de materia oscura en descomposición que, según dicen, todavía coincide con otras observaciones astronómicas. “Si agrega este ingrediente al modelo estándar de cosmología, todo se mantiene unido”, dijo Loeb.

Sin embargo, sigue insatisfecho con la idea de la materia oscura en descomposición, en parte porque introduce dos nuevas cantidades inciertas en las ecuaciones.

“En este caso, se agregan dos parámetros libres para resolver una discrepancia, y eso me inquieta”, dijo, comparando la materia oscura en descomposición con los epiciclos del modelo del universo centrado en la Tierra de Ptolomeo. “Preferiría tener dos discrepancias explicadas por un parámetro”.

Energía oscura inconstante

Desde el sorprendente descubrimiento en 1998 de que la expansión del universo se está acelerando , los cosmólogos han incluido una repulsiva energía oscura en su modelo de evolución cósmica. Pero su naturaleza sigue siendo un misterio. La posibilidad más simple es que la energía oscura sea la “constante cosmológica”, la energía del espacio mismo, con una densidad constante en todas partes. Pero, ¿y si la cantidad de energía oscura en el universo no es constante?

Una dosis extra de energía oscura en el universo temprano, denominada energía oscura temprana , podría reconciliar los valores en conflicto de la constante de Hubble. La presión exterior de esta temprana energía oscura habría acelerado la expansión del universo. “La parte complicada es que [la energía oscura temprana] realmente no puede quedarse; tiene que desaparecer rápidamente ”, dijo Lisa Randall , física de partículas y cosmóloga de Harvard.

Randall y sus colaboradores idearon lo que ellos llaman soluciones de “rock ‘n’ roll” para la tensión del Hubble en un artículo enviado al Journal of High Energy Physics . Cada una de estas adiciones al modelo estándar toma una forma matemática diferente: en algunas, la densidad de la energía oscura oscila, o se balancea, mientras que en otras desciende de un valor alto a cero. Pero en todos los casos, la energía oscura temprana debe desaparecer después de unos cientos de miles de años, durante una época conocida como recombinación. “La historia del universo desde la recombinación es bastante consistente con el modelo estándar”, dijo Kamionkowski, coautor de un artículo sobre la energía oscura temprana publicado en Physical Review Letters.el pasado junio. “Así que cualquier negocio de monos que hagamos en el universo temprano tiene que decaer”.

Junto a la energía oscura temprana, los teóricos han propuesto otras formas exóticas de energía oscura, como la quintaesencia y la energía oscura fantasma , que también cambian a medida que el universo envejece. Si bien estas extensiones del modelo estándar alivian la tensión de Hubble, muchos cosmólogos las consideran perfeccionadas: adiciones matemáticas oportunas que no tienen una justificación clara.

Pero Kamionkowski dice que las nuevas formas de energía oscura parecen menos artificiales cuando se consideran junto con otros períodos de expansión en la historia del universo. Por ejemplo, la mayoría de los cosmólogos piensan que el espacio se expandió exponencialmente al comienzo del Big Bang durante un período conocido como inflación, que fue impulsada por un tipo de energía oscura diferente al que existe hoy. Se cree que tales períodos dominados por la energía oscura “ocurren ocasionalmente a lo largo de la historia del universo”, dijo Kamionkowski.

Gravedad modificada

En el modelo estándar de cosmología, todas las formas conocidas de materia y radiación, más la materia oscura y la energía oscura, se incorporan a la teoría de la gravedad de Albert Einstein, y las ecuaciones de Einstein indican cómo se expande el espacio como resultado. Esto significa que, además de cambiar o agregar ingredientes cósmicos al modelo, hay otra forma en que los físicos pueden reconciliarlo con la tasa de expansión cósmica observada: “Puedes imaginar que las ecuaciones de Einstein no son correctas”, dijo Loeb.

Lo sorprendente es que incluso con estas adiciones ad hoc, sigue siendo muy difícil adaptarse a la discrepancia.

LISA RANDALL

William Barker , un estudiante de doctorado en la Universidad de Cambridge, estaba buscando una teoría de la “gravedad modificada” el verano pasado cuando tropezó con una forma de resolver la tensión del Hubble. Barker encontró un modelo de gravedad modificada que era “capaz de comportarse como si hubiera radiación adicional en el universo primitivo”, dijo; la presión de radiación habría aumentado la tasa de expansión cósmica.

Pero en una preimpresión enviada a Physical Review D en marzo, Barker y tres coautores reconocen que se necesita mucho más análisis para ver si el modelo puede describir no solo cómo se expande el universo sino también cómo evolucionaron estructuras como galaxias y cúmulos.

Con los telescopios contemporáneos que ofrecen una gran cantidad de datos impresionantemente precisos sobre tales estructuras, idear una teoría que coincida con todas las observaciones no es tarea fácil. “Muchas de las teorías de la gravedad modificada no son teorías completas, y cuando intentas hacer un cálculo detallado con conjuntos de datos sofisticados … es difícil hacerlo de una manera sólida”, dijo Kamionkowski.

Espera y verás

“Todos sabemos que son ad hoc”, dijo Randall sobre las propuestas hasta ahora. “Lo sorprendente es que incluso con estas adiciones ad hoc, sigue siendo muy difícil adaptarse a la discrepancia”.

Incluso con la libertad adicional, la mayoría de los modelos no estándar solo reducen la tensión del Hubble en lugar de eliminarla. Predicen una tasa de expansión cósmica más rápida que el modelo estándar, pero aún no es lo suficientemente rápido como para coincidir con las observaciones de supernovas y otros objetos astronómicos.

En los próximos años, el telescopio Euclid y otros mapearán meticulosamente cómo la gravedad y la energía oscura han dado forma a la evolución cósmica. Mientras tanto, las ondas gravitacionales emitidas por las estrellas de neutrones en colisión ofrecen una nueva forma de medir la constante de Hubble . Los nuevos datos descartarán algunas de estas soluciones novedosas a la tensión del Hubble, pero pueden aparecer nuevas grietas en el modelo estándar. Por ahora, muchos cosmólogos se resisten a complicar el modelo cuando, por lo demás, funciona tan bien. “Hay un poco de sensación de esperar y ver, a menos que alguien tenga una idea realmente buena”, dijo Randall.

Añadió que incluso si la tensión del Hubble resulta ser nada más que una acumulación de errores, esta búsqueda de nueva física puede no ser en vano.

“En ocasiones, los resultados interesantes provienen de cosas que eventualmente desaparecen”, dijo Randall. “Te obliga a pensar: ¿Qué sabemos? ¿Y cuánto podemos cambiar las cosas? “