Blog de Enunlugardelcosmos

Blog dedicado a la cosmología

En este blog encontrarás artículos y noticias relacionadas con el cosmos y con la ciencia.

La edad del universo

Escrito por Enunlugarenelcosmos 28-11-2016 en ciencia. Comentarios (0)

La edad del universo, de acuerdo con la teoría del Big Bang, es el tiempo histórico del universo definido por su enfriamiento y expansión desde su densidad singular en el Big Bang. El consenso de los científicos contemporáneos es de unos 13,798 ± 0,037 miles de millones de años, es decir que la edad del universo está comprendida entre 13 761 y 13 835 millones de años.

En la ciencia moderna el modelo más prudente (y ampliamente aceptado) de la formación del universo es el Big Bang. La teoría del Big Bang no especula sobre qué puede haber existido «antes», incluso si esta pregunta tiene algún sentido. Sin embargo hay alternativas. En algunos modelos cosmológicos (como la teoría del estado estacionario o el universo estático) donde no hay Big Bang y el universo tiene edad infinita: sin embargo, los científicos contemporáneos consensúan que las pruebas observacionales irrefrenablemente apoyan la ocurrencia de un Big Bang. Hay también modelos cosmológicos (como el modelo cíclico) en el que el universo ha existido siempre pero ha sufrido una serie repetida de Big Bangs y Big Crunchs. Si estos modelos son correctos, entonces la edad del universo descrita en este artículo se puede tomar como el tiempo transcurrido desde el último Big Bang hasta el presente.

Hay siempre una ambigüedad en la relatividad especial y la relatividad general definiendo de forma precisa qué se entiende por tiempo entre dos eventos. En general, el tiempo propio medido por un reloj depende de su estado de movimiento. En la métrica FLRW generalmente se toma para describir el universo, la medida preferida de tiempo es la coordenada del tiempo ( {\displaystyle t} t) que aparece en la métrica.

El proyecto WMAP de la NASA estimó la edad del universo en:

(13,7 ± 0,2) × 10^9 años. 
Esto es, el universo tiene unos 13 700 millones de años, con una incertidumbre de 200 millones de años. Sin embargo, esta edad está basada en la suposición de que el modelo utilizado en el proyecto es correcto; otros métodos de estimación de la edad del universo podrían dar edades diferentes.

Esta medida está realizada utilizando la localización del primer pico acústico en el espectro de potencia de la radiación de fondo de microondas para determinar el tamaño de la superficie desacople (tamaño del universo en el momento de la recombinación). El tiempo de viaje de la luz a esta superficie (dependiendo de la geometría utilizada) produce una edad fiable para el universo. Asumiendo la validez de los modelos utilizados para determinar esta edad, la precisión residual proporciona un margen de error cercano al 1 %.

El problema de determinar la edad del universo está más cerca del problema de determinar los valores de los parámetros cosmológicos. Hoy esto está ampliamente superado en el contexto del modelo ΛCDM, donde se asume que el Universo contiene materia normal (bariónica), materia oscura fría, radiación (fotones y neutrinos) y una constante cosmológica. La contribucción fraccional de cada densidad de energía actual del Universo viene dado por los parámetros de densidad Ωm, Ωr y Ωᴧ. El modelo completo ΛCDM está descrito por otros parámetros, pero para el propósito del cálculo de la edad del Universo, estos tres, junto con la constante de Hubble Ho son los más importantes.

El WMAP fue el instrumento utilizado para establecer una edad exacta del universo, aunque otras medidas tienen que ser tomadas en cuenta para obtener el número exacto. Las medidas del fondo de radiación de microondas son muy buenas para acotar la materia contenida Ωm y el parámetro de curvatura Ωk. No es tan sensible a Ωᴧ directamente, parcialmente porque la constante cosmológica solo llega a ser importante en pequeños corrimientos al rojo. Las determinaciones más exactas del parámetro Hubble Ho vienen de las supernovas de tipo SNIa. Combinando estas medidas conducen a un valor generalmente aceptado para la edad del Universo citado arriba.

La constante cosmológica hace que el universo «anciano» para valores fijos de otros parámetros. Esto es significativo, ya que la constante cosmológica está aceptada generalmente, el modelo del Big Bang tendría dificultades explicando el por qué de los cúmulos globulares en la Vía Láctea parece estar lejos de la edad del universo calculada del parámetro Hubble y un universo de solo materia. Introduciendo la constante cosmológica permite al universo ser más viejo que estos cúmulos, así como explicar otras características que el modelo cósmológico de solo materia no puede.

Imagen: El valor del factor de corrección de la edad F es mostrado como función de dos parámetros cosmológicos: la densidad de materia fraccional actual Ωm y la constante cosmológica de densidad Ωᴧ. Los valores más exactos de estos parámetos se muestran en la caja de la parte superior izquierda, la materia dominante del universo se muestra con la estrella en la parte inferior derecha.

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Universo conocido

Escrito por Enunlugarenelcosmos 28-11-2016 en ciencia. Comentarios (0)

El Universo conocido es el espacio del que se tiene conocimiento astronómico, llegando hasta los 11.000 millones de años luz. Gracias a las imágenes tomadas por el telescopio espacial Hubble, allí se pueden observar las galaxias y las estrellas en estado primitivo cuando todavía estaban en formación. Como la luz tardó 11.000 millones de años en llegar a la Tierra, nosotros estamos observando como era el universo cuando tenía tan solo 3.000 millones de años.

Foto de En un lugar del cosmos.

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Quintaesencia

Escrito por Enunlugarenelcosmos 28-11-2016 en ciencia. Comentarios (0)

En cosmología, quintaesencia es una forma hipotética de energía que se postula para explicar las observaciones del universo en expansión acelerada. La quintaesencia es un tipo de "energía del vacío", con una ecuación de estado de la forma:

P= wpc^2

donde:

P es la presión,
p la densidad.

Si w < -1/3, la quintaesencia actúa como un campo repulsivo. Dado que la energía oscura tiene precisamente ese efecto, fenomenológicamente la energía oscura es una forma de quintaesencia.

En general, el parámetro w puede variar en escalas de tiempo cosmológicas, si bien algunos teóricos se refieren a la quintaesencia con w variable con el nombre de kinescencia, para distinguirla de otras formas de energía que tienen un constante.

El término quintaesencia tampoco es usado para formas hipotéticas de energía con w < -1/3. Una constante cosmológica no nula corresponde al caso w=-1, sin variación temporal.

En una cosmología no estándar como Expansión cósmica en escala por C. Johan Masreliez la quintaesencia es w < -1/3, lo que significa curvatura del espacio-tiempo.

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Constante cosmológica ¿el mayor error de Einstein o su mayor intuición?

Escrito por Enunlugarenelcosmos 28-11-2016 en ciencia. Comentarios (0)

Constante cosmológica ¿el mayor error de Einstein o su mayor intuición?

En relatividad general, la constante cosmológica (denotada usualmente por Lambda,Λ) es una constante propuesta por Albert Einstein como una modificación de su ecuación original del campo gravitatorio para conseguir una solución que diera un universo estático. Einstein rechazó esta idea una vez que el corrimiento observado por Georges Lemaître sugirió que el universo no era estático. Sin embargo, el descubrimiento de la aceleración cósmica en la década de 1990 ha renovado el interés en la constante cosmológica.

La constante cosmológica fue introducida inicialmente por Einstein en 1915 para lograr un universo estático, que coincidía con la concepción del universo reinante en su tiempo. Sus ecuaciones originales no permitían un universo estático: la gravedad lleva a un universo inicialmente en equilibrio dinámico a contraerse. Sin embargo, después de desarrollar su solución estática, Georges Lemaître sugirió en 1929 que el universo parecía estar en expansión. Esto era perfectamente consistente con las soluciones a las ecuaciones originales, descubiertas por el matemático Friedman en 1922 y por el físico Georges Lemaître, quien, independientemente, encontró una solución similar en 1927.

Se sabe ahora que el universo estático encontrado por Einstein es inestable. A pesar de estar en equilibrio, cualquier pequeña perturbación lo haría implosionar o expandirse de nuevo.

Al contrario que el resto de la relatividad general, esta nueva constante no se justificaba para nada, y fue introducida exclusivamente con el fin de obtener el resultado que en la época se pensaba era el apropiado. Cuando se presentó la evidencia de la expansión de universo, se cree que Einstein llegó a declarar que la introducción de dicha constante fue el «peor error de su carrera». La frase “el mayor error” o “la mayor metedura de pata” (en inglés “the biggest blunder“), en relación a la constante cosmológica y Einstein, fue escrita por primera vez por el físico George Gamow en un artículo publicado en septiembre de 1956 en la revista Scientific American (Einstein murió en abril de 1955). Gamow repitió esta frase varias veces en otros textos. Sin embargo, la constante cosmológica permaneció como un problema de interés teórico y experimental.

Observaciones realizadas a finales de la década de 1990 de las relaciones distancia-corrimiento al rojo indicaron que la expansión del universo es acelerada. Combinadas con medidas del fondo cósmico de microondas, arrojaron un valor de Λ- 10^-35 s^-2. Existen otras causas posibles para esta expansión acelerada, como la quintaesencia, pero la constante cosmológica dentro del modelo estándar cosmológico Lambda-CDM es la solución más simple.

Esta conclusión se sigue de un poco de análisis dimensional en teorías de campo efectivas. Si el universo está descrito por una teoría cuántica de campos efectiva hasta energías del orden de la masa de Planck, se esperaría que Λ fuera del orden de M^4 pl , que es 120 órdenes de magnitud (10^120) más grande que el valor medido. Esta discrepancia ha sido calificada como «la peor predicción en la historia de la física».

Foto de En un lugar del cosmos.

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La «expansión acelerada del universo» o «universo en expansión acelerada»

Escrito por Enunlugarenelcosmos 28-11-2016 en ciencia. Comentarios (0)

La «expansión acelerada del universo» o «universo en expansión acelerada» son términos con los que se designa el hecho descubierto en los años 1990 de que el universo se expande a una velocidad cada vez mayor. Este hecho fue un descubrimiento no esperado, ya que hasta ese descubrimiento se pensaba que, si bien el universo ciertamente está en expansión, su ritmo iba decreciendo por efecto de la atracción mutua entre galaxias distantes.

A finales de los años 1990 unas observaciones de supernovas tipo A (clase Ia) arrojaron el resultado inesperado de que la expansión del universo parece ir acelerándose. Estas observaciones parecen más firmes a la luz de nuevos datos.

De ser correcta esta teoría, el resultado último de esta tendencia sería la imposibilidad de seguir viendo cualquier otra galaxia. Esta nueva teoría del fin del universo ha recibido el nombre de Gran Desgarramiento o, en inglés, Big Rip.

Puesto que la energía causante de la aceleración del espacio-tiempo no ha podido ser observada en forma directa, se ha dado en llamarla energía oscura. Dos candidatos teóricos que podrían hacer las veces de esta energía son una constante cosmológica no igual a cero (que pudo haber causado la inflación cósmica) y una energía repulsiva más general llamada quintaesencia. De todas maneras una expansión acelerada no entra en contradicción frontal con la formulación original de la teoría general de la relatividad que ya ocasionó en su tiempo una polémica entre Albert Einstein, quien en un tiempo introdujo la constante cosmológica en su ecuación de campo retirándola después, y varios científicos: Alexander Friedman, Georges Lemaître, Howard Percy Robertson y Arthur Geoffrey Walker, quienes probaron que existían soluciones estables no estacionarias sin el término proporcional a la constante cosmológica.

La observación de que, retrocediendo en el tiempo 5×10^9 años, el Universo ha entrado desde un período de desaceleración de su expansión a uno de aceleración, surge como una predicción al aplicar el mecanismo de división y elongación de fotones en cascada (Photon-splitting and elongation-cascade, PSEC), propuesto por Alfred Bennun (Rutgers University), no solo al período de inflación cósmica (Alan Guth), sino también al de su subsiguiente expansión. Este mecanismo de expansión exponencial es asimilable a la constante cosmológica de Einstein, porque propone que la energía primordial se puede describir como una radiación que precede a la formación de materia, contrarrestando la atracción gravitatoria de la misma por elongación de longitud de onda, que persiste en el "fósil" observable como radiación cósmica de fondo (Cosmic Background Radiation, CMB). Esta caracterización conceptual, atribuyendo a la energía radiante una función de onda, 6 protones por metro cúbico (6 x masa en reposo del protón 9,38379×10^2 MeV), el valor resultante —5,630274×10^3— se multiplica por el volumen del universo observable en la actualidad —13,7×109 años luz, o 9,1×10^78 metros cúbicos— para obtener el total de la energía presente al inicio de la inflación —5,124×10^82 MeV—. Por división de este número por la energía de Planck se obtiene el número inicial de fotones: 5,124×10^60. Estos trenes de fotones serían inicialmente confinados dentro de topología no calculable pero que se abre creando un espacio tridimensional de radio igual al radio de Fermi, 10^–13 cm, y por lo tanto evitando la naturaleza puntual y adimensional de una singularidad. En simulación, desde el inicio de inflación (tiempo de Planck: 10^–44 segundos) hasta su final (10^–33 segundos), el tiempo se escaló como un incremento logarítmico y por subdivisión se obtuvo una secuencia de 66 lapsos con progresión de fechas respectivas, cada una duplicando la extensión temporal del período anterior.

En cada período, la energía per quanta se redujo a la mitad con respecto al período anterior, como si fuera una cascada de división de fotones reiterada 66 veces, o sea de 1×2^66 divisiones de los fotones iniciales pero cuyo incremento inicial del radio del universo se expresa en base 4 y exponencial 66, (1×2×2)^66, ya que en cada división o partición de los fotones simultáneamente, no solo se dobla su número, sino también la amplitud de su longitud de onda. Ambos procesos no están limitados por la velocidad de la propagación de la luz en el espacio, porque implican transiciones en la amplitud del espacio-tiempo mismo. La contribución al crecimiento cósmico por despliegue de la luz en el mismo es despreciable durante la inflación. Sin embargo, ésta se vuelve muy importante durante la expansión mientras la elongación de la longitud de onda de CMB se asocia en función temporal no ya a dichas mínimas fracciones de segundos, sino a muchos años luz.

Escalando desde el universo de 90 años luz de radio (r) al final de la inflación hasta 12,08×10^9 años luz (que es menor que el radio al presente) se obtiene una exponencial 27 para representar la secuencia de divisiones de fotones en base dos: 90×2^27 = 12,08×10^9 años luz. Este procedimiento para calcular la cascada de división de fotones durante la expansión cósmica podría no ser el adecuado.

Otra aproximación es verificar este valor iterativo de exponencial 27 obtenido para las secuencias de divisiones en la era de expansión usando el valor energético al presente de CMB —2,71 K o 2,3×10^–10 MeV— multiplicado por 2^27 para obtener el valor energético de CMB al final de la inflación: 3,087×10^–2 MeV. El ajustado de este número por simulación posiblemente requiere diferenciar la contribución de la expansión debida a la luz, o de la debida a la división fotónica usando parámetros adicionales como los relacionados a la formación de materia. Como el fotón carece de masa, el origen de ésta, vinculada a una radiación primogénita requiere postular un mecanismo para su generación. Este podría ser que en función de un momento angular, éste manifiesta equivalencia de masa. Transferencia de momento angular ocurriría durante la desaceleración de un cosmos inicialmente rotacional, o porque los trenes de fotones (polarizados transversalmente) viajarían en una dirección del espacio-tiempo que le conferiría momento angular.

Wikipedia

Imágenes:1. La hipótesis más común para dar cuenta de la expansión acelerada del universo es asumir la existencia de un tipo de energía exótica llamada energía oscura. De acuerdo con los cálculos cuantitativos alrededor del 70 % del contenido energético del universo consistiría en energía oscura, cuya presencia tendría un efecto similar a una constante cosmológica de tipo expansivo como el observado; sin embargo, la naturaleza exacta de este tipo de energía es desconocida. 2 y 3 diagrama expansión.

Foto de En un lugar del cosmos.

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