Una sugerencia renovada de que la energía oscura puede no ser real, prescindiendo del 70% de las cosas en el universo, ha reavivado un debate de larga data.

La energía oscura y la materia oscura son invenciones teóricas que explican observaciones que de otro modo no podríamos entender.

En la escala de las galaxias la gravedad parece ser más fuerte de lo que podemos considerar usando solo partículas que son capaces de emitir luz. Entonces agregamos partículas de materia oscura como el 25% de la masa-energía del Universo. Estas partículas nunca se han detectado directamente.

En las escalas más grandes en las que se expande el Universo, la gravedad parece más débil de lo esperado en un universo que solo contiene partículas, ya sean materia ordinaria u oscura. Entonces agregamos "energía oscura":una fuerza antigravedad débil que actúa independientemente de la materia.

Breve historia de la "energía oscura"

La idea de la energía oscura es tan antigua como la propia relatividad general. Albert Einstein lo incluyó cuando aplicó por primera vez la relatividad a la cosmología hace exactamente 100 años.

Einstein quiso erróneamente equilibrar exactamente la autoatracción de la materia mediante la antigravedad en las escalas más grandes. No podía imaginar que el Universo tuviera un comienzo y no quería que cambiara con el tiempo.

Casi nada se sabía sobre el Universo en 1917. Se debatió la mera idea de que las galaxias fueran objetos a grandes distancias.

Einstein se enfrentó a un dilema. La esencia física de su teoría, como se resume décadas después en la introducción de un famoso libro de texto es:

La materia le dice al espacio cómo curvarse, y el espacio le dice a la materia cómo moverse.

Eso significa que el espacio naturalmente quiere expandirse o contraerse, doblarse junto con la materia. Nunca se detiene.

Esto fue realizado por Alexander Friedmann, quien en 1922 mantuvo los mismos ingredientes que Einstein. Pero no intentó equilibrar la cantidad de materia y energía oscura. Eso sugirió un modelo en el que universos que podrían expandirse o contraerse.

Más lejos, la expansión siempre se ralentizaría si solo hubiera materia presente. Pero podría acelerarse si se incluyera la energía oscura anti-gravitante.

Desde finales de la década de 1990, muchas observaciones independientes parecen exigir una expansión tan acelerada, en un Universo con un 70% de energía oscura. Pero esta conclusión se basa en el antiguo modelo de expansión que no ha cambiado desde la década de 1920.

Modelo cosmológico estándar

Las ecuaciones de Einstein son endiabladamente difíciles. Y no simplemente porque hay más de ellos que en la teoría de la gravedad de Isaac Newton.

Desafortunadamente, Einstein dejó algunas preguntas básicas sin respuesta. Estos incluyen:¿en qué escalas la materia le dice al espacio cómo curvarse? ¿Cuál es el objeto más grande que se mueve como una partícula individual en respuesta? ¿Y cuál es la imagen correcta en otras escalas?

Estos problemas se evitan convenientemente mediante la aproximación de 100 años, introducida por Einstein y Friedmann, que, de media, el Universo se expande uniformemente. Como si todas las estructuras cósmicas pudieran pasar por una licuadora para hacer una sopa sin rasgos distintivos.

Esta aproximación homogeneizadora se justificó temprano en la historia cósmica. Sabemos por el fondo cósmico de microondas, la radiación reliquia del Big Bang, que las variaciones en la densidad de la materia eran minúsculas cuando el Universo tenía menos de un millón de años.

Pero el universo es no hoy homogéneo. La inestabilidad gravitacional condujo al crecimiento de estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, y eventualmente una vasta "red cósmica", dominado en volumen por vacíos rodeados por láminas de galaxias y enhebrados por tenues filamentos.

En cosmología estándar, asumimos un fondo que se expande como si no hubiera estructuras cósmicas. Luego hacemos simulaciones por computadora usando solo la teoría de Newton de 330 años. Esto produce una estructura que se asemeja a la red cósmica observada de una manera razonablemente convincente. Pero requiere incluir la energía oscura y la materia oscura como ingredientes.

Incluso después de inventar el 95% de la densidad de energía del universo para hacer que las cosas funcionen, el modelo en sí todavía enfrenta problemas que van desde tensiones hasta anomalías.

Más lejos, La cosmología estándar también fija la curvatura del espacio para que sea uniforme en todas partes, y desacoplado de la materia. Pero eso está en desacuerdo con la idea básica de Einstein de que la materia le dice al espacio cómo curvarse.

¡No estamos usando toda la relatividad general! El modelo estándar se resume mejor como: Friedmann le dice al espacio cómo curvarse, y Newton le dice a la materia cómo moverse.

Ingrese "reacción inversa"

Desde principios de la década de 2000, Algunos cosmólogos han estado explorando la idea de que, si bien las ecuaciones de Einstein vinculan la materia y la curvatura a pequeña escala, su promedio a gran escala podría dar lugar a una reacción inversa, una expansión promedio que no es exactamente homogénea.

Las distribuciones de materia y curvatura comienzan casi uniformes cuando el universo es joven. Pero a medida que la red cósmica emerge y se vuelve más compleja, las variaciones de la curvatura a pequeña escala crecen mucho y la expansión promedio puede diferir de la de la cosmología estándar.

Los resultados numéricos recientes de un equipo en Budapest y Hawai que afirman prescindir de la energía oscura utilizaron simulaciones newtonianas estándar. Pero desarrollaron su código hacia adelante en el tiempo mediante un método no estándar para modelar el efecto de reacción.

Curiosamente, la ley de expansión resultante se ajusta a los datos del satélite de Planck muy cerca de la de un modelo de retroacción basado en la relatividad general de diez años de antigüedad, conocida como la cosmología del paisaje temporal. Postula que tenemos que calibrar relojes y reglas de manera diferente cuando consideramos variaciones de curvatura entre galaxias y vacíos. Por una cosa, esto significa que el Universo ya no tiene una sola edad.

En la próxima década, experimentos como el satélite Euclid y el experimento CODEX, tendrá el poder de probar si la expansión cósmica sigue la ley homogénea de Friedmann, o un modelo alternativo de retroacción.

Estar preparado, es importante que no pongamos todos nuestros huevos en una canasta cosmológica, como Avi Loeb, Cátedra de Astronomía en Harvard, ha advertido recientemente. En palabras de Loeb:

Para evitar el estancamiento y nutrir una cultura científica vibrante, una frontera de investigación siempre debe mantener al menos dos formas de interpretar los datos para que los nuevos experimentos apunten a seleccionar la correcta. Se debe fomentar un diálogo saludable entre diferentes puntos de vista a través de conferencias que discutan temas conceptuales y no solo resultados experimentales y fenomenología. como ocurre a menudo en la actualidad.

¿Qué nos puede enseñar la relatividad general?

Si bien la mayoría de los investigadores aceptan que existen efectos de retroacción, el verdadero debate es si esto puede llevar a más de un 1% o un 2% de diferencia del balance de masa-energía de la cosmología estándar.

Cualquier solución de reacción inversa que elimine la energía oscura debe explicar por qué la ley de expansión promedio parece tan uniforme a pesar de la falta de homogeneidad de la red cósmica. algo que la cosmología estándar asume sin explicación.

Dado que las ecuaciones de Einstein pueden, en principio, hacer que el espacio se expanda de formas extremadamente complicadas, se requiere algún principio simplificador para su promedio a gran escala. Este es el enfoque de la cosmología del paisaje temporal.

Es probable que cualquier principio simplificador de los promedios cosmológicos tenga su origen en el Universo muy temprano, dado que era mucho más simple que el Universo de hoy. Durante los últimos 38 años, Se han invocado modelos de universo inflacionario para explicar la simplicidad del Universo primitivo.

Si bien tiene éxito en algunos aspectos, muchos modelos de inflación ahora están descartados por los datos de satélite de Planck. Aquellos que sobreviven dan tentadoras pistas de principios físicos más profundos.

Muchos físicos todavía ven el Universo como un continuo fijo que surge independientemente de los campos de materia que viven en él. Pero, en el espíritu de la relatividad, que el espacio y el tiempo solo tienen significado cuando son relacionales, es posible que debamos repensar las ideas básicas.

Dado que el tiempo en sí solo se mide por partículas con una masa en reposo distinta de cero, tal vez el espacio-tiempo tal como lo conocemos solo emerja cuando se condensan las primeras partículas masivas.

Cualquiera que sea la teoría final, probablemente incorporará la innovación clave de la relatividad general, a saber, el acoplamiento dinámico de materia y geometría, a nivel cuántico.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.