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¿Por qué es necesaria una hipotética energía oscura?

Si el universo empezó a partir del Big Bang y nos situamos en el punto en que ya se han generado átomos (mayoritariamente de hidrógeno), tenemos materia alejándose en todas las direcciones a partir de un punto central. Esa materia de forma casi uniformemente distribuida se va agrupando gravitacionalmente hasta formar densas nubes de gas que con la temperatura suficiente se acabarán convirtiendo en estrellas. En el nacimiento y la muerte de cada una de esas estrellas se produce una explosión que lanza más materia en todas las direcciones incluida en la que se está desplazando la propia estrella, por lo que aceleraría la expansión del universo. Con el paso del tiempo tenemos un montón de puntos desde los que se lanza materia en todas las direcciones, materia que en principio no debería detenerse si no hay ninguna fuerza que se lo impida.

Entonces ¿por qué es necesaria una misteriosa energía oscura para producir la expansión del universo?

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preguntado el 01/01/11 a las 22:32

Edu87
20●4

editado el 01/01/11 a las 22:33

3 Respuestas:

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Bueno para empezar hay varios puntos que hay que comentar:

1.- El big bang no es un punto en el espacio que hoy vemos. El big bang es un estado del universo, es decir todo el universo esta descrito por el big bang. El big bang no es un punto desde el cual explota todo, el big bang es el estado del universo inicialmente. No es una explosión de algo situado en un espacio del cual emana la materia sobre un espacio preexistente. Todo se creó en el big bang, tanto la materia como el espacio.

2.- Toda la materia/energía conocida tiene un comportamiento gravitatorio atractivo. Por lo tanto, nuestro universo debería de estar sometido a un efecto gravitatorio que tienda a acercar la materia/energía, es decir a frenar la expansión. Sin embargo, nuestro universo tienene una expansión acelerada. Para explicar este comportamiento hemos de considerar una nueva forma de energía cuyo comnportamiento gravitatorio sea justamente el de propiciear la expansión acelerada.

Esta energía se ha llamado energía oscura. No hay consenso sobre la naturaleza o la existencia de dicha energìapero actualmente está bajo estudio tanto teórica como observacionalmente.

Esta energía tiene particularidades, un volumen que contiene tal energía sufre una presión negativa, y eso según relatividad general da lugar a un efecto antigravitatorio.

Lo que sí es incorrecto es considerar que las explosiones supernova propician la expansión, porque eso es una explosión de materia usual en un espacio que la contiene.

respondido el 02/01/11 a las 01:10

Askedton
3167●2●9

Me convence la respuesta pero me quedan algunas dudas, el espacio se va creando a medida que la materia/energía se expande, ¿no podría darse el caso de que hubiera una galaxia hacia el borde de los límites del universo y una estrella de esa galaxia estuviera en el extremo mas cercano al límite y explotara en una supernova? Si se pudiera dar ese caso, la materia/energía que desprendería hacia ese borde no expandiría el universo?

( el 02/01/11 a las 09:29) Edu87

La expansión es una característica propia del espaciotiempo que se describe en base a una constante cosmológica o energía oscura. Una explosión, ocurra donde ocurra, no expande nada, la materia está confinada en el universo. Aunque hubiera una explosión en "el borde" (que habría que precisar que significa eso), la materia se movería dentro del universo sin provocar su expansión.

( el 02/01/11 a las 11:19) Askedton

Sobre todo el concepto de "borde" creo que carece de sentido si asumimos la homogeneidad del universo. Todos los puntos son iguales, así que el universo sólo puede curvarse sobre sí mismo o bien ser espacialmente infinito: no existe ningún límite, barrera o frontera dentro de él.

( el 02/01/11 a las 15:33) darthyoda

Aunque la expansión del universo ya era bien conocida, a finales de los 90 se descubrió un hecho bastante sorprendente. El High-z Supernova Search Team y el Supernova Cosmology Project estudiaron la recesión de las supernovas de tipo Ia, las cuales se utilizan comúnmente como "candelas estelares" para medir distancias. Lo que hallaron fue que, no sólo que el universo se expande, sino que esta expansión es acelerada, cada vez lo hace más rápido.

En Relatividad General sabemos que la fuente gravitatoria es el tensor energía-momento $T_{\mu \nu}$ , un objeto de 10 componentes tales como la densidad de energía $\rho$ , la presión $p$ , etc. Puesto que a grandes escalas nuestro universo es prácticamente homogéneo e isótropo, si queremos computar la expansión del universo sólo hemos de fijarnos en 2 de estas componentes: $\rho$ y $p$ .

La materia que conocemos podemos dividirla en dos categorías, cosmológicamente hablando:
-Polvo o materia no relativista y sin apenas colisiones: su presión es insignificante respecto a su densidad de energía, por lo que presenta $p=0$ .
-Radiación (electromagnética) y partículas relativistas: en este caso la presión es un tercio de su densidad de energía $p= \frac{1}{3} \rho$ .

Si aplicamos las ecuaciones de la Relatividad General a un universo homogéneo e isótropo obtenemos las ecuaciones de Friedmann:

$\frac{\dot{a}^2+k}{2a^2} = \frac{4 \pi G \rho}{3}$
$\frac{\ddot{a}}{a} = - \frac{4 \pi G}{3} ( \rho + 3p)$ .

[[ $a$ es el factor de escala del universo (una medida de lo "grande" que es, independientemente de si es finito o infinito), el punto denota derivación respecto al tiempo (tiempo comóvil: medido respecto a un observador en reposo respecto a la materia del universo). ]]

Bien, en la segunda ecuación vemos como la materia que conocemos es incapaz de producir una expansión acelerada, la condición para que esto se produzca, $\ddot{a} > 0$ , se ve inmediatamente que es: $p < - \frac{\rho}{3}$ .
Es decir, si queremos explicar lo que vemos necesitamos un nuevo tipo de energía cuya presión sea negativa y cumpla la relación anterior. A esta hipotética sustancia es lo que denominamos como Energía oscura.

Uno de los posibles candidatos es la Constante Cosmológica $\Lambda$ que Einstein introdujo en sus ecuaciones, si pasamos el término $\Lambda g_{\mu \nu}$ al otro lado y lo consideramos como un término de materia $T_{\mu \nu}$ , llegamos a que esta Constante se corresponde con un fluido cuya ecuación de estado es $p = - \rho$ , que cumple la relación necesaria para acelerar la expansión del universo.

Quisiera comentar también que, aplicando la ley de "conservación" (por llamarla de alguna forma) local del tensor energía-momento: ${T^{\mu \nu}}_{; \nu} = 0$ obtenemos distintas relaciones entre la densidad de energía y el factor de escala según el tipo de materia que tengamos.

Para el polvo tenemos $\rho \propto a^{-3}$ (de esperar, así la energía total $E \propto \rho a^3$ se mantiene constante).
Para la radiación aparece un factor $a^{-1}$ debido al redshift, de modo que $\rho \propto a^{-4}$ .
Sin embargo para la energía oscura la densidad de energía no decrece tan rápidamente como para el resto de materia, la fórmula general es:

$\rho \propto a^{-3(1+ p/ \rho )}$

Para el caso límite $p= - \rho /3$ (que produce $\ddot{a}=0$ ) tenemos $\rho \propto a^{-2}$ y para una constante cosmológica $\rho = cte$ (para energías oscuras con presiones menores $p < - \rho$ llegamos a que incluso la densidad de energía crece según se expande el universo, en este caso se habla de energía fantasma o phantom energy y su existencia supondría un Big Rip).

Por tanto, cada vez la contribución de la materia "normal" es menor y supuestamente llegará el momento en que la única densidad de energía significante será la correspondiente a la Energía oscura, así que ésta es la que marcará el destino final de nuestro universo.

respondido el 02/01/11 a las 01:40

darthyoda
993●1●10

Es necesaria porque el espacio inter-galáctico esta acelerando las galaxias la una de la otra. De la misma manera, la materia oscura es necesaria para que las galaxias no pierdan sus estrellas (por cierto, existen galaxias sin estrellas, pero es depende de como definas galaxia). Sin embargo, ni la materia ni la energía oscura son visibles directamente.

Eso es muy raro, si vemos el vació como la nada; pero es algo. Son partículas que se están cancelando siempre unas a otras (lo he simplificado demasiado); pero es física muy avanzada que no te puedo explicar porque aun no entiendo muy bien.

respondido el 03/01/11 a las 23:14

josell
616●2●7

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Etiquetas de la pregunta:

física ×369
relatividad ×55
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general ×9
oscura ×4

pregunta formulada: el 01/01/11 a las 22:32

pregunta vista: 2,555 veces

última actualización: el 03/01/11 a las 23:14

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