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Astronomia - Espacio Profundo
AlbertR

El inicio de la expansión acelerada del Universo: la aceleración del factor de escala

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AlbertR

En la última década del siglo pasado dos grupos de investigación se lanzaron al estudio de las Supernovas Tipo Ia situadas a distancias cosmológicas, con el objetivo de cuantificar con la máxima precisión que permitían los últimos medios observacionales el freno que la gravedad debía de estar imponiendo a la expansión del Universo. Los dos grupos eran Supernova Cosmology Project y The High-z SN Search

 

En esa década de los 1990, la hipótesis de que el Universo estaba en expansión era un hecho incontestable desde hacía 60 años, ya que era una de las soluciones naturales de las Ecuaciones de Campo de la Relatividad General (Friedmann 1922), y contaba con evidencia experimental desde las observaciones de Slipher y Hubble poco antes de 1930.

 

Se suponía que el Universo estaba en expansión y, como la única fuerza conocida que actuaba sobre él a gran escala era la gravedad, ésta debía estar frenando la expansión: el objetivo de ambos grupos de investigación era cuantificar en qué grado exacto la gravedad frenaba la expansión.

 

Pero el resultado de ambos estudios arrojó una sorpresa que no se veía en el mundo de la Física desde el experimento de Michelson-Morley, que pretendía medir la velocidad de la Tierra respecto del éter y resultó que esa velocidad era nula en cualquier dirección, lo que llevó a desterrar el éter de la Física.

 

El indicador de la expansión del Universo es el Factor de Escala “a” una cifra adimensional que indica la relación entre las distancias de dos puntos en un instante del universo respecto de otro instante tomado como referencia.

 

Habitualmente las distancias actuales son las que se toman como referencia, es decir se toma que actualmente a=1, y como el Universo se ha estado y está expandiendo, en el pasado a<1 y en el futuro (al menos el cercano), a>1

 

Si representamos el factor de escala en función del tiempo desde el big-bang, en los 1990 se esperaba observar:

 

(1). Una función creciente, es decir la expansión del Universo ha hecho que desde el inicio hasta ahora las distancias siempre se hayan estado incrementando. Eso matemáticamente significa que la pendiente de la función = la derivada temporal del factor de escala = la velocidad de expansión, ha sido siempre positiva hasta ahora.

 

(2). Una función convexa. Aunque el factor de escala siempre haya podido estar creciendo, si la única fuerza significativa que actúa es la gravedad que es atractiva, la velocidad ha debido ir disminuyendo = aceleración negativa del factor de escala = matemáticamente, que la derivada segunda del factor de escala debía negativa.

 

Ambos grupos de trabajo presentaron en 1998 las conclusiones de sus observaciones, que puestas en forma de gráfico de la evolución del factor de escala (ordenadas) en el tiempo (abcisas en millones de años), daba como resultado un gráfico como el de la figura adjunta.

 

Tremenda sorpresa: de los 13.799 millones de años de vida del Universo, las previsiones (1) y (2) se cumplen hasta hace algo más de 6 mil millones de años, el instante marcado con el punto negro en el gráfico. Desde el inicio hasta ese punto la función factor de escala es creciente y convexa, (aceleración negativa) Pero a partir de ese instante las observaciones constatan que sólo se cumple (1) y no (2), la función es creciente y cóncava, es decir la aceleración del factor de escala es positiva, “la expansión del Universo se está acelerando”

 

En principio el resultado pareció increíble, y solo cuando se van sumando nuevas observaciones por parte de otros grupos y con métodos diferentes se acaba aceptando la realidad: pero han de transcurrir 13 años hasta que al fin la evidencia sea tan fuerte que los líderes de “Supernova Cosmology Project” y “The High-z SN Search” reciban en 2011 el Premio Nobel de Física.

 

¿Cómo es posible que se esté acelerando la expansión del Universo? Hasta 1998 se pensaba que la composición energética del Universo estaba constituida exclusivamente por materia y radiación, dos tipos de energía que son “atractivas” y por lo tanto ambas frenan la expansión.

 

El resultado de las observaciones implicaba que en el Universo había un tercer componente, al que en un “alarde de imaginación” se le llamó Energía Oscura, que a diferencia de materia y radiación, tenía la propiedad de ejercer una presión negativa y que además resultaba que actualmente constituía casi el 70% de todo el contenido energético del Universo.

 

La caracterización cuantitativa más simple de la energía oscura es asociarla a la Constante Cosmológica, introducida por Einstein en 1917 en sus Ecuaciones de Campo cuando intentaba forzar un universo estático según los conocimientos de la época. Pero hacia 1931 Einstein se convenció de la expansión del Universo, tras las observaciones de Hubble y sobre todo tras la demostración de Eddington de que incluso con constante cosmológica el universo de la Relatividad General no podía ser estático puesto que sería inestable. Con ello la constante cosmológica, para Einstein “el mayor error de su vida”, desapareció de las Ecuaciones de Campo durante casi 70 años.

 

La recuperación de la Constante Cosmológica Λ y su reincorporación a las Ecuaciones de Friedmann permite caracterizar cuantitativamente el actual modelo cosmológico de consenso, conocido como Modelo ΛCDM

 

El cálculo del instante en el que la aceleración de la expansión del universo dejo de ser negativa y pasó a ser positiva se realiza utilizando simples conocimientos básicos de bachillerato: aplicar que en el instante en el que la aceleración es nula, (la función pasa de convexa a cóncava = punto de inflexión), la derivada segunda ha de ser nula.

 

El resultado que se obtiene es que el universo empezó su expansión acelerada con una edad de 7620 millones de años. Como la edad actual del Universo es de 13799 millones de años, eso sucedió hace 6179 millones de años.

 

Quien desee profundizar en los detalles del cálculo, puede encontrar el desarrollo matemático completo en El inicio de la expansión acelerada del Universo: la aceleración del factor de escala

 

Factor Escala - Tiempo.png

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c4r4j0

Muy clara la exposición. 

Piensas que se puede asemejar a un balance de fuerzas? Por ejemplo el imán no levanta el clavo hasta que la distancia es apropiada. Análogamente, la fuerza que impulsa la expansión acelerada requeriría un mínimo de distancia (densidad) para vencer a la antes "omnipotente" gravedad?

Por otro lado pienso que no, ya que la gravedad mueve los objetos en el espacio y la expansión acelerada solo actúa en el espacio y poco con la materia... 

Jeje qué dilema!

Muchas gracias!

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Achernar1

Lo maravilloso, es que Einstein está cada día más joven

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c4r4j0
hace 13 minutos, Achernar1 dijo:

Lo maravilloso, es que Einstein está cada día más joven

es que eso es lo que no está muy claro.

 

Las mediciones del red-shift son un hecho pero a qué se lo atribuimos?

 

Hipótesis de Einstein: Universo estático: es la velocidad de los objetos

 

Hipótesis de Hubble: Universo en expansión es el espacio que se expande

 

Hipótesis de energía oscura: Universo en expansión acelerada...

 

Gravedad modificada?
 

Saludos!

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    • AlbertR
      By AlbertR
      Dentro de 2 años, en junio de 2022, está previsto el lanzamiento del Telescopio Espacial Euclid de la Agencia Europea del Espacio (ESA) mediante un cohete Soyuz-Fregat desde la Kouru en Guayana Francesa. Euclid se ubicará en una órbita de halo en torno al punto de Lagrange L2 Sol-Tierra, que se halla a 1.5 millones de km de la Tierra. La duración de la misión será de 6.25 años y se explorarán 15 mil grados cuadrados de cielo.



      Euclid “A space mission to map the Dark Universe” es la próxima misión de la ESA destinada a estudiar la energía oscura y la materia oscura, los componentes mayoritarios de nuestro Universo.
      Euclid es un satélite grande, de 2200 kg, 4.5 m de longitud y 3.1 m de diámetro. El componente principal es un telescopio cuyo espejo principal es de 1.2 metros de diámetro (como comparación el del Hubble tiene 2.4 metros). Euclid es más pequeño que otros proyectos de telescopios espaciales, pero con sensibilidad hasta magnitud aparente 26.5, de tamaño suficiente para estudiar la energía oscura y la materia oscura. La óptica es de tipo Korsch con tres espejos, para dirigir la luz a los dos instrumentos del telescopio, Visual Imager (VIS) y Near-Infrared Spectrometer and Photometer (NISP)
       
      VIS captará imágenes del cielo (longitud de onda 550-900 nm) de amplio campo de visión (unos 0.8º cuadrados) mediante 36 sensores CCD con una resolución de 0.1 segundos de arco por píxel. Las imágenes permitirán medir la distorsión de las galaxias debido al efecto de lente gravitacional débil para poder determinar la proporción de materia oscura en la línea de visión y medir la influencia de la energía oscura en la expansión del Universo.
       
      NISP es un espectrómetro infrarrojo (900-2000 nm) de 0.7º cuadrados de campo que permitirá analizar la luz de objetos muy lejanos para medir su corrimiento al rojo con alta precisión y determinar su distancia. Ello permitirá estudiar en qué medida la energía oscura está acelerando la expansión del Universo y se espera poder determinar su ecuación de estado.
       
      El 18 de Diciembre de 2018 Euclid anunció que había pasado su revisión crítica de diseño, que verificó que la arquitectura general de la misión y el diseño detallado de todos sus elementos están completos, lo que despejó el camino para comenzar a ensamblar toda la nave espacial.
       
      Ayer el Consorcio Euclid publicó que además del barrido "normal" de 15000º cuadrados de cielo previsto, en particular el satélite estudiará 3 “campos profundos” zonas extremadamente oscuras con el objetivo de encontrar allí objetos débiles y raros. Son 2 zonas en el hemisferio sur y una en el norte marcadas en amarillo en la imagen. La zona marcada en azul es la correspondiente al barrido “normal” que realizará Euclid. Observad que se evitan zonas dominadas por las estrellas del plano de la Vía Láctea y zonas en torno a la eclíptica por el polvo difuso en el Sistema Solar (luz zodiacal), además de evitar la Nube Mayor de Magallanes.
       


      No dejéis de visitar la web de la misión: Euclid Consortium. A space mission to map the Dark Universe
       
      Estaremos atentos, saludos.
    • supernova0
      By supernova0
      De 2019 hasta el fin de los tiempos: Un video muestra cómo será la desaparición del Universo
       
      https://actualidad.rt.com/viral/310106-timelapse-futuro-video-viaje-fin-tiempos?fbclid=IwAR3R9MayLw_a48OhNFPykCmpfkG9AD2xlDor_a662-3F0KXh32UmS4hef_A articulo completo
       
      Y el video:
       
      https://www.youtube.com/watch?v=uD4izuDMUQA
       
      No se como dejar videos en el foro, bueno, me encanto. Alguien sabe si esta en español el video?
      Que opinan del video? Lo ven como algo real y probable, y en que no estan de acuerdo? Mencionan a la teoria del big bounce? 
      Abajo dice los años, pero creo que en ingles, en concreto cuantos años serian?
       
      Somos tan pequeños ante todo esto
    • Dieguito
      By Dieguito
      Buenos dias foro, hoy arranca el ciclo anual de charlas en el CAIFA de Vicente López.
      El Dr. Gabriel Bengochea (Relatividad, Cosmología, etc) disertará de forma amena con "La imágen del Universo" orientada a su especialización.
      Les dejo link de actividades del CAIFA para este mes donde está también  un apartado de cómo llegar.
      http://www.caifa.com.ar/actividades.html
      Saludos!
      Diego/Tandil
    • AlbertR
      By AlbertR
      Aunque el Universo está lleno de “pruebas” astronómicas de la existencia de la Materia Oscura: curvas de rotación galáctica, cohesión en los cúmulos galácticos, colisiones de cúmulos de galaxias (como el cúmulo bala), espectro de potencias de las anisotropías del CMB, lentes gravitacionales, oscilaciones acústicas de bariones, … todas estas pruebas son indirectas, se basan en la detección de efectos gravitatorios a gran escala producidos por la materia oscura. Desde hace ya bastantes años se intenta la detección directa de partículas de materia oscura hasta ahora sin éxito.
      En este contexto, leo hoy que FASER (Forward Search Experiment) es un nuevo experimento del Large Hadron Colider (LHC) para la búsqueda de partículas ligeras con interacción débil asociadas a la Materia Oscura aprobado ayer por el CERN. FASER complementará el programa de Física en curso del CERN, extendiendo su potencial de descubrimiento a potenciales nuevas partículas y se espera que sea operativo en 2021.
       
      Este nuevo experimento contribuye a diversificar el programa de Física del colisionador de partículas más grande del mundo (LHC), y permite abordar preguntas sin respuesta en Física de partículas desde una perspectiva diferente, ha explicado en un comunicado Mike Lamont, co-coordinador del grupo de estudio PBC (Physics Beyond Collider), que supervisa FASER.
      Los cuatro detectores principales del LHC no son adecuados para detectar partículas ligeras de interacción débil que podrían producirse paralelamente a la línea del haz. Éstas podrían viajar cientos de metros sin interactuar con ningún material antes de transformarse en partículas conocidas y detectables, como electrones y positrones. Las partículas exóticas, de producirse, escapan a los detectores existentes a lo largo de las líneas del haz de corriente y permanecen sin ser detectadas. Por lo tanto, FASER se ubicará a lo largo de la trayectoria del haz, a 480 metros aguas abajo del punto de interacción situado dentro de ATLAS.
       

       
      Aunque los protones en los haces de partículas del LHC son desviados por imanes y obligados a girar siguiendo el perímetro del LHC, las posibles partículas ligeras que interactúan muy débilmente, continuarían a lo largo de una línea recta y sus "productos de desintegración" podrán ser detectados por FASER. Las potenciales nuevas partículas estarían muy colimadas con el haz, dispersándose muy poco y permitiendo así que un detector relativamente pequeño y barato realice búsquedas altamente sensibles.
      La longitud total del detector es inferior a 5 metros y su estructura cilíndrica central tiene un radio de tan solo 10 centímetros. Se instalará en un túnel lateral a lo largo de una línea de transferencia no utilizada que conecta el LHC con su inyector, el Super Proton Synchrotron. Para que FASER pueda construirse de forma rápida y asequible, se utilizarán piezas de repuesto de los detectores, donadas amablemente por los experimentos ATLAS y LHCb. La colaboración formada por 16 institutos que están construyendo el detector y que llevará a cabo los experimentos, cuenta con el apoyo de la Fundación Heising-Simons y la Fundación Simons.
       
      FASER buscará partículas hipotéticas de interacción débil, incluyendo los llamados "fotones oscuros", partículas que están asociadas con la materia oscura, neutralinos y otros. El experimento se instalará durante la actual parada prolongada 2 (Long Shutdown 2) en curso y comenzará a tomar datos en el LHC’s Run 3 que se ejecutará entre 2021 y 2023. FASER es una propuesta de Física fina que aborda un aspecto particular en la búsqueda de Física más allá del Modelo Estándar.
      Lo he leído en FASER: CERN approves new experiment to look for long-lived, exotic particles
      Y podéis encontrar esquemas, planos, detalles técnicos y amplia documentación en: FASER (ForwArd Search ExpeRiment at the LHC) webpage
       
      Saludos.
       
    • Mauri Fahrenheit
      By Mauri Fahrenheit
      Buenas a todos! Desde el sitio oficial de la Universidad de Oxford, Inglaterra, se compartió la noticia sobre un artículo publicado por el astrofísico y doctor Jamie Farnes en Astronomy & Astrophysics en el cual propone que la materia oscura y la energía oscura pueden ser un mismo fluído con masa negativa.
      Aquí el artículo en el sitio web de la universidad:
      http://www.ox.ac.uk/news/2018-12-05-bringing-balance-universe
      En el mismo post comparten el artículo publicado, acá dejo el link directo:
      https://www.aanda.org/component/article?access=doi&amp;doi=10.1051/0004-6361/201832898
      El artículo en sí es de puro carácter técnico y teórico post introducción, pero de seguro habrá lectores capaces de entender sus conceptos y fórmulas físicas; pero me pareció interesante compartirlo en el foro debido a la fuente científica de este modelo "juguete".
      Gracias por la atención!
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