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Pequeñas fluctuaciones del espacio-tiempo podrían explicar la naturaleza de la energía obscura.

La energía obscura es la responsable de que el Universo esté acelerando su expansión.
Se ha buscado muchos orígenes de ésta, incluso se propuso un modelo de Universo en rotación para explicarla. En ese modelo, la aceleración centrífuga sería la responsable de la aceleración observada en la expansión (pdp, 09/mar./2016, La energía obscura como efecto de un Universo en rotación, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/).

universo

Gráfico de las componentes del Universo publicado en Taringa.net

Las dos grandes ramas de la Física no logran explicar su origen. Por un lado, la Relatividad se encarga del estudio de los escenarios donde hay grandes energías donde existen las partículas. Por otro, la cuántica que estudia esas partículas, su naturaleza y propiedades.
Como ambas se desarrollan en diferentes escalas, no se llevan bien a la hora de analizar problemas en común. Por eso es que no se dispone de una teoría cuántica de la gravitación y sí de una relativística.

La energía del vacío, es una energía de origen cuántico que existe incluso en ausencia de la materia (Wikipedia, Energía del vacío, https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_del_vac%C3%ADo). Así, se la relaciona con la obscura, pero hay ciertas incoherencias.
La energía de vacío tiene características tales que, de ser responsable de la aceleración de la expansión universal, ésta sería más pronunciada que lo observado. Pero claro, no hay otra posible responsable de esta forma de expandirse que tiene el Universo.

Hay una teoría que en un principio ofrece una explicación.
Si el Universo pasara por fluctuaciones u oscilaciones aleatorias en su tramado del espacio-tiempo a escalas muy pequeñas, subatómicas, de miles de millones de veces menores que las dimensiones del electrón; éstas tendrían implicaciones a escalas mayores.
Haciendo los cálculos pertinentes, esas oscilaciones en expansión y contracción, junto con la gravedad y la energía del vacío, terminan arrojando un movimiento neto de expansión lenta pero acelerada con magnitudes coherentes con las observadas.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Se verifica la estructura del Universo primitivo a pequeña escala.

Los cuásares (Quasar: Quasi – stellar – objects) son objetos de aspecto estelar pero mucho más brillantes y activos (Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/Cu%C3%A1sar).
Se trata de núcleos activos de galaxias lejanas. Tan lejanas, que se las observa como eran en sus comienzos cuando se estaban formando. Su brillo está dominado por la actividad del agujero negro central.

Nuestro Universo nació hace unos 14 500 millones de años. En sus orígenes, se dio una época conocida como reionización, entre unos 3 mil millones a 4 mil millones de años luego del Big-Bang. En ella, la energía de los primeros objetos brillantes, volvió a partir a los átomos de la materia primitiva, fundamentalmente Hidrógeno y Helio (pdp, 05/feb./2015, Big-Bang, la época obscura y la reionización, https://paolera.wordpress.com/2015/02/05/big-bang-la-epoca-obscura-y-la-re-ionizacion/).

Se sabe de la estructura a gran escala de la materia en el Universo. Se trata de una malla de filamentos de materia obscura y ordinaria con cavidades, donde se hilvanan las estructuras galácticas como perlas en un collar; similar a la estructura de la espuma.
A menores escalas, sólo había conjeturas dadas por los modelos. Para estudiar la estructura de la materia en el Universo, se observa cómo esa materia absorbe la radiación de objetos lejanos como galaxias lejanas o mejor, cuásares.
Se hallaron dos cuásares cercanos entre sí, cosa que no es frecuente.
Se encuentran a unos 11 500 millones de años luz de casa (AL).

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Ilustración de la estructura de la red de materia en el Universo publicada en el trabajo de Alberto Rorai et al.

Eso los pone cerca de la época de reionización. Analizando la absorción de la energía que irradian por parte del material intergaláctico, se pudo analizar las propiedades de la materia primitiva.
La cercanía entre ellos, permitió observar diferencias en la distribución de la materia a escalas de 100 000 AL, galácticamente hablando, a escalas muy pequeñas (ese valor es 10 veces el tamaño de la Vía Láctea – Corrección del 1/may./2017: ese es el valor del diámetro de la Vía Láctea).
Se encontraron evidencias de ondulaciones y fluctuaciones en la distribución del material a pequeñas escalas, en épocas cercanas a la reionización, que concuerdan con las predicciones hechas por los modelos actuales.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Quizás un Universo exótico necesite una explicación exótica.

(Artículo retocado el 26/abr./2017 a las 13:30 HOA – GMT -3).
En Ciencia, muchas veces no respondemos las preguntas sino que las cambiamos por otras más complejas. Un ejemplo puede ser el estudio de la mancha fría en la radiación de fondo en micro-ondas.
Esa radiación es la huella del Big-Bang. Se produjo en el nacimiento del Universo y se aleja tan rápido de nosotros que la vemos en micro-ondas.
La primera pregunta es: ¿cómo es que nos llega si se está alejando?
Esto tiene que ver con las dimensiones del Universo. Hay más de las tres que podemos ver y esa radiación viaja en todas ellas. Una o más componentes pasan por nuestra posición.
Si fuésemos bichos planos viviendo en un la superficie de un globo que está inflándose, juraríamos que el Universo es plano y todo de aleja de nosotros a nuestro alrededor. Pero no entendemos la tercera dimensión, la radial (hacia el centro o hacia arriba). Así, la lluvia nos llegaría y la veríamos por todas partes sin saber realmente de dónde viene; para nosotros estaría por todas partes. Aquí sucede algo parecido. Además, el principio cosmológico dice que el Big-Bang se dio en todas partes al mismo tiempo, así, su radiación llenó el Universo en todas direcciones y la vemos por todas partes (pdp, 20/06/2014, El principio cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/). No obstante, este principio es una primera aproximación al problema del nacimiento del Universo (odo, 08/nov./2016, El principio cosmológico es una primera aproximación, luego, vale, https://paolera.wordpress.com/2016/11/08/el-principio-cosmologico-es-una-primera-aproximacion-luego-vale/). Basado en todo esto, está el problema de los horizontes. Desde una dirección nos llega la radiación de fondo desde 14 mil millones de años luz, ya que la edad del Universo es de 14 mil millones de años. Desde la dirección opuesta sucede lo mismo; luego, ¿cómo es que la radiación de fondo pudo ir de un lado al otro del Universo en el tiempo que sólo pudo ir hasta un sólo lado? (pdp, 21/11/2016, El problema de horizontes y la velocidad de la luz, https://paolera.wordpress.com/2016/11/24/el-problema-de-horzontes-y-la-velocidad-de-la-luz/). ¿Será que la luz viajaba más rápido en el origen del Universo?.

Estudiando la radiación de fondo, se encontró una mancha fría.

Imagen de la macha fría crédito de ESA Planck Collaboration.

Se trata de una región donde la radiación de fondo es de menor temperatura o energía. El modelo standard del Big-Bang ofrece una explicación. Esa radiación se originó en un gran estallido y por lo tanto viaja de regiones de mayor densidad de materia a regiones de menor densidad. A nivel local, en pequeñas regiones, la luz puede desviarse y hasta disminuir su energía cerca de grandes masas. Pero a gran escala, la luz aumenta su energía en regiones masivas y la disminuye en regiones menos masivas; así, yendo de mayor a menor densidad de materia, va perdiendo energía.
Si en su camino se encuentra con una región vacía, o de una brusca disminución de materia debido a la aceleración de la expansión Universal, disminuirá mucho su energía. Al salir de esa región, se encuentra con mayor densidad pero no tanta como antes de esa “burbuja” de casi vacío (recordemos que en general va de mayor a menor densidad). Así, recupera energía pero no tanto como la que perdió. En resumen, sale con menor energía que con la que entró en esa burbuja. Los fotones (energía) de radiación de fondo que no pasaron por esa burbuja no sienten este efecto y tienen más energía que los otros; luego, aparece esa mancha fría dada por los fotones de radiación de fondo que atravesaron la burbuja (pdp, 24/04/2015, Explicando la mancha fría y el mapa de radiación de fondo, https://paolera.wordpress.com/2015/04/24/explicando-la-mancha-fria-en-el-mapa-de-la-radiacion-de-fondo-en-micro-ondas/).

Se observaron unas 7 000 galaxias para estimar su posición y distancia buscando la región vacía producida por la acelerada expansión del Universo y responsable de la mancha fría. Se encontró con que la región que sería responsable de esa mancha fría, no está tan vacía y en realidad tiene una estructura similar al resto de las regiones del Universo. La región de la mancha fría es un grupo de “huecos” rodeados de cúmulos de galaxias. Digamos que tiene estructura como de “espuma”. En otras palabras, no se encontró un vacío capaz de crear a la mancha fría.

New survey hints at exotic origin for the Cold Spot

Imagen crédito de Durham University

En la imagen se aprecia la distribución de cúmulos de galaxias en la región de la mancha fría (puntos negros a la derecha) y en otra zona del cielo (untos rojos a la izquierda). No se observan significativas diferencias para hacerlas responsables de la mancha fría.
Luego, es necesaria una explicación por la falta de la misma a cargo del modelo standard o convencional. Quizás la mancha se dió por azar.
Pero puede ser que la explicación sea más sofisticada o exótica. Tal vez la mancha fría es el resultado del contacto o colisión entre nuestro Universo y otra burbuja de Universo vecino al nuestro.

Hay que obtener más datos para cerrar el caso.

Referencia:

Fuente:

pdp.

J211451,47-654102,5: otro co-autor de la re-ionización.

La re-ionización es una etapa temprana del Universo, o si se prefiere, una etapa del Universo temprano.
En sus comienzos, el Universo estaba ionizado, formado por partículas sub-atómicas como electrones y protones. Luego, se unieron y comenzó la formación átomos y moléculas y la materia dio origen a las primeras estrellas y sistemas estelares. Con la energía de aquellos primeros objetos comenzó la ruptura de la materia aún sin colapsar, o sea, la re-ionización (pdp, 05/feb./2015, Big-Bang, la época obscura y la re-ionización, https://paolera.wordpress.com/2015/02/05/big-bang-la-epoca-obscura-y-la-re-ionizacion/).
Mucho se dijo de la capacidad de re-ionizar que tenían las primeras estrellas. Pero al parecer, esta etapa se dio antes de lo pensado ya que se están hallando objetos de aquellas épocas capaces de ionizar su entorno.

En abril del 2017, se publicó el descubrimiento de una galaxia de 13 mil millones de años de edad. Si el universo tiene unos 14 mil millones de años, esa galaxia se formó apenas 1 mil millones de años luego del Big-Bang. Así, es uno de los primeros sistemas estelares que colaboraron con la re-ionización con sus 300 millones de Soles (pdp, 11/abr./2017, Viendo la re-ionización, https://paolera.wordpress.com/2017/04/11/viendo-la-re-ionizacion/)

Ahora, siempre en abril del 2017, se detectó un objeto de un brillo equivalente a 200 mil millones de Soles. Se trata de un firme candidato a supernova superliminosa.
Su distancia (z aprox. = 6), la pone entre 10 mil millones y 11 mil millones de años luz. O sea que se la ve como era hace ese tiempo atrás, es decir que explotó cuando el Universo tenía unos 4 mil millones de años. Luego, esta SN estalló colaborando con la re-ionización.

Imagen de la SN superluminosa en diferentes longitudes de onda publicada en el trabajo de Jeremy Mould et al.

Catalogada como J211451,47-654102,5; podría tratarse también de un evento de disrupción. Esto sucede cuando una estrella es destrozada por la gravedad de un objeto masivo como un agujero negro. Al caer la materia en él, se produce una gran emisión de energía desde sus vecindades debido a la autofricción que se produce en ella cuando precipita en forma de espiral.
La no existencia de galaxias en esa región no ayuda a suponer que se trata de una muy remota y enrojecida SN donde su emisión se ve potenciada por un efecto de lente gravitacional.
De esta manera, las SN de aquella época del Universo serían las responsables de la abundante aparición de metales en galaxias del .

Fuente:

pdp.

Viendo la re-ionización.

Una de las consecuencias inmediatas de que la luz tenga una determinada velocidad, es que cuando vemos el cielo, vemos el pasado.
Como la luz de los objetos tarda un cierto tiempo en llegarnos, los vemos como eran cuando su luz partió hacia nosotros; más jóvenes cuanto más lejanos sean. Por eso el interés astronómico en los objetos lejanos, para observar cómo eran las cosas en un principio.

Luego del Big-Bang, el Universo estaba lleno de materia opaca hecha por partículas que más tarde formarían los átomos, estaba lleno de iones; o sea que se encontraba ionizado.
Con el tiempo la materia comenzó a unirse formando los primeros átomos, eso dio paso a las primeras estructuras complejas y estelares. Éstas comenzaron a brillar y esa energía volvió a partir los átomos en sus componentes; el Universo entró en la re-ionización. Esto fue aproximadamente 1 000 millones de años después del Big-Bang (pdp, 05/feb./2015, https://paolera.wordpress.com/2015/02/05/big-bang-la-epoca-obscura-y-la-re-ionizacion/).

El cúmulo de galaxias MACS J1423+2404 magnificó gravitacionalmente la imagen de una galaxia de fondo, la galaxia MACS 1423-z7p64. El gran campo gravitatorio del cúmulo, desvía y enfoca la luz de esa galaxia de fondo como lo haría una lupa; a este efecto se lo conoce como lente gravitacional (DarkSapiens, 12/sep./2011, http://naukas.com/2011/09/12/el-efecto-de-lente-gravitacional/).

Esta galaxia tiene una masa de 300 millones de estrellas como nuestro Sol y está a unos 13 000 millones de años luz de casa. Eso indica que la luz tarda ese tiempo en llegarnos y por lo tanto la vemos como era hace ese tiempo atrás. Si el Universo tiene 14 000 millones de años de edad (haciendo números aproximados), esta galaxia se formó dentro de los 1 000 millones de años luego del Big-Bang. Luego, no sólo es una de las más lejanas detectadas hasta ahora (arbil 2017), sino que es una de las que colaboró con la re-ionización luego del Big-Bang.

Cluster used as lens to detect distant galaxy

Ilustración de la observación de MACS1423-z7p64 – Crédito: NASA/Keck/Austin Hoag/Marusa Bradac

O sea que estamos viendo una galaxia cuando re-ionizaba el joven Universo.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Moribundas galaxias compactas masivas rojas.

Hay galaxias rojas masivas y compactas conocidas como “semillas rojas” (red nugget).
Son galaxias compactas, masivas, desprovistas de gas que por algún motivo dejaron de producir estrellas de manera efusiva y expulsaron la materia necesaria para seguir con esa producción.
Son muy lejanas por lo que se habrían formado en los albores del Universo. En aquellas épocas las galaxias eran enanas con eficiente formación estelar. La unión de esas galaxias darían lugar a las grandes conocidas hoy en día. Pero estas galaxias compactas rojas aparecidas en aquellas épocas son todo un desafío para los modelos de evolución galáctica.
La teoría predice que estas galaxias moribundas debieron aparecer cuando el Universo tenía unos 3 mil millones de años de edad.

La galaxia ZF-COMOS-20115, es una compacta roja moribunda que en su momento formó estrellas 3 veces más rápido que nuestra Vía Láctea, estamos hablando de 3 estrellas al año.

Artists impression of galaxy ZF-COSMOS 20115. A glowing red nugget in the centre of swirling clouds of gas

Ilustración de ZF-COSMOS-20115 publicada en Swinburne news.

Así metió unas 300 mil millones en un volumen de con un radio equivalente a la distancia entre el Sol y la Nube de Orión. Como todas las de su especie, de manera brusca e imprevista expulsó la materia existente en ella y dejó de fabricar estrellas. Hoy, produce una estrella cada 5 años.
Esta galaxia se formó en unos 100 millones de años cuando el Universo era tan sólo de 1600 millones de años de edad, estableciendo un límite inferior menor al estimado para su aparición, y por lo tanto, un desafío más para los modelos actuales.
Estas galaxias son tan débiles, que se necesitan muchas horas de observación para obtener la información necesaria para su estudio aún con los instrumentos más sensibles.

Referencia:

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pdp.

Expansión Universal: el modelo AvERA no necesita de la energía obscura.

Se sabe que el Universo está en expansión, y además, esa expansión se acelera por efecto de la llamada energía obscura.
En un principio, sabiendo la velocidad de alejamiento de una galaxia, se podría calcular su distancia a través de la ley de expansión de Hubble. Esa ley explica cómo a mayor distancia las galaxias muestran mayor velocidad de alejamiento; todo es una cuestión de expansión del Universo y de las escalas involucradas (Wikipedia, https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Hubble).
Pero la observación de supernovas (SN), (de tipo Ia), permitieron calcular distancias. Sabiendo la intensidad de la explosión dada por la teoría, y observando la intensidad aparente, se puede calcular la distancia. Así, según SN en galaxias lejanas, se llegó a la conclusión que se estaban alejando más rápido que lo que correspondía según la ley de Hubble. Esto indicaba la existencia de una aceleración en la expansión y la existencia de una energía obscura (por desconocida) responsable de ese aumento en la velocidad de alejamiento.

El Universo de Einstein – de Sitter, es el modelo más sencillo dominado por materia. En ese modelo no se contempla la expansión acelerada. Luego, ha sido descartado por las observaciones (astronomia.net, http://www.astronomia.net/cosmologia/EdeSitter.htm)

Con el tiempo aparecieron modelos que tienden a explicar lo que sucede sin necesidad de la energía obscura.
Un modelo sugería un Universo en rotación. La acción centrífuga de las fuerzas involucradas explicarían la expansión a grandes escalas (pdp, 09/mar./2016, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/)

Un fractal es una estructura donde un elemento de ella, es ella en sí mima. Es decir que si tomamos una parte de esa estructura y la aumentamos, observaremos a la misma estructura.
Asumiendo que en el Universo las galaxias se agrupan en grupos que se agrupan en otros mayores, podemos asumir una estructura fractal. En ese caso, el análisis de la expansión de las estructuras más alejadas y por lo tanto más grandes, no necesita de la energía obscura para explicarla la aceleración en el alejamiento de esas estructuras y sus galaxias componentes.
(pdp, 24/oct./2016, https://paolera.wordpress.com/2016/10/24/el-universo-tendria-estructura-fractal/).

Para marzo del 2017, un modelo vuelve a explicar la aceleración en la expansión, involucrando sólo a estructura y sin necesidad de la energía obscura.
Por un lado, la estructura del Universo es compleja. Se la puede comparar con la de una esponja o espuma. Cavidades limitadas por paredes interconectadas, donde están las mayores estructuras galácticas. Esa estructura bien podría influir en la expansión haciendo que no todas las partes se alejan de la misma manera.
Por otro lado, la ecuaciones relativísticas involucradas, son muy complejas.
Luego, la solución fue usar aproximaciones de estas ecuaciones. Esas aproximaciones son las que implicarían erróneamente la existencia de una energía obscura responsable de la aceleración en expansión observada por no tener en cuenta la estructura Universal.

Este modelo se basa en expresiones matemáticas que permiten la expansión diferencial teniendo en cuenta la estructura y manteniendo los conceptos de la relatividad general. Sometiendo ese modelo a simulaciones, se obtuvieron estructuras como las observadas y se observó cómo ésta afecta la expansión.

En el gráfico se muestra el resultado de la simulación teniendo en cuenta el modelo que involucra energía obscura (arriba a la izquierda en rojo), el modelo “AvERA” que no necesita de la energía obscura (centro en azul) y el descartado Einstein – de Sitter (derecha en verde).
Abajo se observa el incremento el factor de escalar.
Resumiendo: parece que el secreto está en la estructura.

Referencia:

Fuente:

pdp.