Energía Oscura: la expansión acelerada del Universo

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El Modelo Estándar de Cosmología: la historia del Universo
¿De dónde provienen las estrellas, galaxias y todos los objetos que pueblan el Universo?
El Universo se encuentra en expansión a partir de en un estado de altísima temperatura y
densidad, denominado Big Bang, hace aproximadamente 13.700 millones de años. En los
primeros instantes, el Universo estaba dominado por un plasma de partículas elementales en
continua interacción.
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En los primeros minutos, la rápida expansión enfrió el plasma lo suficiente para que se
formaran los núcleos atómicos más ligeros (nucleosíntesis primordial), principalmente
hidrógeno y helio.
A los 380.000 años, los electrones y los núcleos se combinaron para formar átomos neutros.
El Universo se volvió transparente a los fotones, que quedaron libres formando una radiación
que llena el Universo desde entonces y es observable hoy día: el fondo de radiación de
microondas.
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A partir de las pequeñas inhomogeneidades presentes en el plasma primordial, la materia
empezó a agruparse por atracción gravitacional, dando lugar a la formación de estructuras a
gran escala. Nacieron las primeras estrellas, las galaxias, y progresivamente los cúmulos y
supercúmulos de galaxias, hasta llegar al Universo hoy día.
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La Energía oscura es una componente de la densidad de energía del Universo,
de naturaleza desconocida, y que causa una expansión acelerada del Universo
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Las supernovas y el ritmo de exapansión del Universo
El ritmo de expansión del Universo se puede determinar estudiando la proporción
entre la velocidad de alejamiento entre galaxias con la distancia que las separa
(ley de Hubble). La velocidad de alejamiento de las galaxias respecto a la Tierra
se puede medir mediante el corrimiento al rojo de sus espectros atómicos,
mientras que su distancia se puede determinar utilizando la magnitud aparente de
“candelas estándar”, como las supernovas de tipo I (explosiones de enanas
blancas detonadas por la acreción de material de una estrella compañera).
Estos datos revelan el ritmo de expansión del Universo a lo largo de su historia, y
muestran que, tras una época de expansión decelerada, ha pasado a una fase de
expansion acelerada. Este descubrimiento, realizado en 1998, conmocionó a la
comunidad científica y fue merecedor del Premio Nobel de Física 2011.
La Energía oscura representa aproximadamente
el 70% de la densidad de energía del Universo
La distribución de densidad de energía en el Universo, determinada y confirmada
mediante distintos métodos, corresponde a:
El fondo de radiación de microondas
Materia oscura
(26,8%)
El fondo de radiación de microondas (Cosmic Microwave Background, CMB)
es una radiación electromagnética que llena el Universo. Tiene un espectro
de cuerpo negro con una temperatura promedio de 2,7K, con pequeñas
inhomogeneidades de 1 parte en 100.000. El CMB es una reliquia del
desacoplo de los fotones debido a la formación de átomos cuando el
Universo tenía aproximadamente 380.000 años, y constituye una prueba
incuestionable de la Teoría del Big Bang.
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Energía oscura
(68,3%)
- un 4,9% de materia ordinaria o bariónica (estrellas, nubes de gas, etc),
- un 26,8% de materia oscura (fluido de partículas pesadas que no emite luz),
El análisis de sus inhomogeneidades,
descubiertas por el satélite COBE, y
analizadas por los satélites WMAP y
Planck, proporciona información muy
precisa sobre el Universo primitivo,
su contenido energético, y sobre su
evolución y ritmo de expansión
desde entonces.
- un 68,3% de energía oscura, que domina la expansión del Universo en su estado actual.
La sorprendente cuantía de energía oscura en el Universo, está confirmada independientemente por los datos del
ritmo de alejamiento de supernovas, el análisis de las inhomogeneidades del fondo de radiación de microondas, y el
estudio de las oscilaciones acústicas de materia bariónica (baryonic acoustic oscillations, BAO).
Los distintos métodos de observación de la abundancia de energía oscura muestran un excelente acuerdo.
Explorando las propiedades de la energía oscura
Oscilaciones acústicas de bariones
Uno de los objetivos actuales en la investigación en Cosmología es
aclarar la naturaleza de la energía oscura y determinar sus propiedades,
como su ecuación de estado.
Las oscilaciones acústicas de bariones (Baryon Acoustic
Oscillations, BAOs) son patrones o correlaciones en la
distribución de materia visible (bariónica) en el
Universo, asociadas a las oscilaciones del plasma de
partículas primigenio, que quedaron “congeladas” en el
momento del desacoplo de los fotones. El tamaño
característico de las BAO permite definir una “regla
estándar” con la que medir distancias en el Universo, y
estudiar su ritmo de expansión a lo largo de su historia.
Se espera multitud de nuevos datos observacionales al respecto con la
puesta en marcha de nuevos proyectos basados en observatorios
terrestres, como DES (Dark Energy Survey), PAU (Physics of the
Accelerating Universe), o BigBOSS (extensión del actual BOSS, Baryon
Oscillation Spectroscopy Survey), que extienden el rango de objetos
observados , y mejoran la precisión de medidas anteriores, por ejemplo
de supernovas y oscilaciones acústicas de materia bariónica (BAOs).
La observación de las BAO se lleva a cabo mediante
catálogos de distribución de galaxias, como el SDSS
(Sloan Digital Sky Survey), 2dFGRS (2dF Galaxy
Redshift Survey), más recientemente, BOSS (Baryon
Oscillation Spectroscopic Survey), entre otros.
Misterios por resolver
Inflación
Constante cosmológica
Alternativas
Futuro del Universo
V(Φ)
Planck
Φ
La inflación propone que en los primeros
instantes el Universo sufrió una expansión
exponencialmente acelerada, inducida por
una enorme densidad de energía oscura
asociada a un campo escalar, el inflatón.
¿Qué es el inflatón y cual es su física?
Si la energía oscura es la constante
cosmológica introducida por Einstein, su
valor es muchos órdenes de magnitud
menor que otras escalas de la naturaleza,
¿Cuál es el mecanismo responsable de esta
enorme diferencia?
Φ
Existen muchas propuestas sobre la
naturaleza de la energía oscura:
Energía potencial de campos escalares
(quintaesencia), gravedad modificada a
grandes escalas, ... ¿Cuál es la
naturaleza de la energía oscura?
El futuro del Universo depende de si la
El mecanismo
de Higgs
explica
la existencia
densidad
de energía
oscura
decrece,
crece
la mantiene
masa de constante.
las partículas
elementales,
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Llevarían
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sus valores
origen
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Desgarramiento
(Big Rip),
una Gran
Congelación (Big Freeze), respectivamente.
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