Poniendo a prueba la expansión del universo

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Un modelo de constante cosmológica invoca realidades alternativas.

Nuestra limitada visión del cosmos oculta la identidad de las misteriosas fuerzas responsables de la expansión acelerada del universo. Físicos de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, dicen ahora en dos artículos de investigación que la ‘constante cosmológica’ – que se usa para representar la expansión del universo en las ecuaciones cosmológicas – depende del momento y lugar en el que se mida. Esto podría explicar viejos problemas con la constante, y ayudar a los físicos a explicar la expansión del universo.

Simulación de galaxias durante la re-ionización


La explicación más convincente para la expansión observada es que el espacio vacío tiene una ‘energía del vacío’ que genera la fuerza necesaria para separar la materia. Es esta energía la que hace de constante cosmológica en las ecuaciones. Pero los físicos han tenido problemas para reconciliar la expansión observada con las explicaciones teóricas.

Una dificultad, por ejemplo, es la discrepancia entre la expansión observada y las predicciones de muchas teorías de campo cuántico. Éstas predicen que hay pares de partículas mecánico cuánticas apareciendo desde el vacío y desapareciendo de nuevo, produciendo una fuerza repulsiva – conocida como repulsión del vacío cuántico – que es al menos 1056 veces mayor que la constante cosmológica. Cualquier teoría que tenga en cuenta la expansión, no sólo tendría que predecir correctamente la constante, sino también cancelar la enorme expansión predicha por tales teorías.

Una segunda dificultad es, que cuando la constante cosmológica se expresa en unidades de tiempo, es equivalente a 9700 millones de años – sorprendentemente similar a la edad del universo, que es de unos 13 700 millones de años. Los físicos han estado desconcertados desde hace tiempo por este ‘problema de coincidencia’ de dos números supuestamente no relacionados que son aproximadamente el mismo.

Los cosmólogos John Barrow y Douglas Shaw de la Universidad de Cambridge han creado ahora un modelo1 que explica la coincidencia temporal y cancela de forma natural suficiente repulsión del vacío como para que la energía del vacío pueda tener en cuenta la expansión acelerada del universo.

Creando ondas

Barrow y Shaw empezaron considerando todo el universo como una función de onda mecánico cuántica, que guarda la energía total del universo constante, pero que varía otras cantidades tales como su masa, edad y forma, así como la propia constante cosmológica.

La restricción importante era la causalidad: Cualquier cosa que se considere en estas ecuaciones, también debe ser consistente con lo que un observador en la Tierra puede ver. Por ejemplo, una contribución a la función de onda de Alfa Centauri – un sistema estelar binario a unos cuatro años luz del Sol – tendría que ser consistente con las propiedades de las estrellas de hace cuatro o más años, deducido a partir de las observaciones actuales.

Los investigadores también sopesaron las distintas posibilidades representadas en la función de onda, de acuerdo a cómo de consistentes eran con respecto a las predicciones de la relatividad general y el modelo estándar1,2. Como ondas ópticas y acústicas, estas realidades alternativas o ‘historias’ distintas interfieren entre sí, algunas cancelándose y otras solapándose y reforzándose. En las historias supervivientes que no se cancelan, los autores encontraron que la constante cosmológica quedaba fija incluso aunque cambiasen otras propiedades del universo. Entonces, metieron las medidas de estas propiedades y encontraron que la constante cosmológica predicha encajaba con las observaciones.

Reescribir la historia

Los cálculos de Barrow y Shaw demostraron que en cada historia superviviente, la constante era la misma en todo el universo a lo largo de todo el tiempo – como se ha asumido por parte de los físicos. Pero encontraron que las historias dominantes de la función de onda pueden cambiar.

“Conforme pasa el tiempo, llegan los fotones más largos, y vemos más universo”, dice Shaw. Esto altera el peso de las distintas historias, trayendo nuevas combinaciones a la palestra y dando como resultado una constante cosmológica variable que está ligada a la edad del universo en el que habitamos.

“Ciertamente, veo que la premisa es interesante, pero no puedo estar de acuerdo con la lógica”, dice el astrofísico Niayesh Afshordi del Instituto Perimeter en Waterloo, Ontario, Canadá. Dice que el que observadores distintos en diferentes momentos y lugares del universo, viesen distintos valores de la constante cosmológica, parecería paradójico cuando el resto del universo obedece a las leyes clásicas. Shaw defiende que, debido a que distintos observadores están en distintas historias, su incapacidad para comunicarse indica que cada uno percibe un universo clásico consistente.

Aunque los cambios en la constante cosmológica no son observables, Shaw y Barrow usaron la función de onda que ahora predomina para predecir la curvatura del espacio, introduciendo la constante cosmológica medida. Este número indica que el universo es como una esfera, si el parámetro es mayor que uno, plano si es exactamente uno, y una curvatura en forma de silla de montar si es menos de uno.

En el artículo de Physical Review Letters1 de próxima aparición, los autores ponen su valor en 1,0056, prediciendo una ligera curvatura esférica (ver también referencia 2).Esto es consistente con las observaciones de WMAP – una misión de la NASA lanzada en 2001 para medir las propiedades de la luz más antigua del cosmos y usarla para deducir propiedades fundamentales del universo – las cuales colocan la curvatura entre 1,0133 y 0.9916.

Pero el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, lanzado en 2009, podría confirmar o refutar la idea de Barrow y Shaw en dos años. Planck es el sucesor de WMAP, y será capaz de dar un valor aún más preciso de la curvatura del universo.

“No hay espacio para moverse en nuestro modelo; es correcto o incorrecto”, comenta Shaw. Y si están en lo cierto, parece que la historia de la constante cosmológica puede reescribirse.


Referencias:
1. Barrow, J. D. and Shaw, D. J. Phys. Rev. Lett. (in the press). Borrador en http://arxiv.org:1007.3086v3 (2011).
2. Shaw, D. J. and Barrow, J. D. Phys. Rev. D 83, 043518 (2011). | Artículo

Autor: Kate McAlpine
Fecha Original: 23 de febrero de 2011
Enlace Original

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