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La energía obscura y la vida en el Universo.

En el Universo se dieron condiciones favorables para la vida tal como la conocemos.
La energía obscura es la encargada de expandir aceleradamente el Universo en el que nacimos. Aunque su naturaleza aún se discute, tuvo un papel importante en la aparición de la vida (pdp, 05/ago./2018, Sobre el origen de la enegía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

De haber sido menor, el Universo hubiese recolapsado. De haber sido mayor, la expansión no hubiese permitido la formación de átomos estables.
Su valor, permite la expansión a gran escala, y a escalas pequeñas, permitió la formación de átomos, luego de moléculas y de complejos gaseosos donde nacieron estrellas. Las masivas retornaron material enriquecido al Espacio de donde nacieron estrellas de segunda generación (como el Sol). A su alrededor se generaron planetas y al menos en el Nuestro, se dio la vida.

Si bien las condiciones se dieron físicamente en forma aleatoria, se investigó entre qué valores la energía obscura resultó favorable a la aparición de la vida.
Según los modelos actuales y datos observados, tales como la masa total y constates físicas Universales, la energía obscura es muchísimo menor a la esperada (unas 10-120 veces, o sea 120 órdenes de magnitud inferior).
Coincidentemente, la masa de neutrinos en el Universo es menor a la esperada – ¿hay relación? – para algunos, sí, la hay
Las simulaciones mostraron que si se aumenta la energía obscura a valores muy altos, por ejemplo más del valor esperado, igualmente se tendrían estrellas, en menor cantidad, pero sólo un 15% menos.

Video: Could a Multiverse be hospitable to life?

Publicado el 14 may. 2018

Luego hay un rango muy amplio en el que la energía obscura es favorable a las condiciones de aparición de la vida. Así las cosas, la energía obscura no tuvo mayor influencia en Nuestra aparición en el Universo.

Si existen otros Universos y en ellos hay energía obscura como en el Nuestro, y si suponemos que el valor de éstas es aleaorio, entonces, teniendo en cuenta el amplio rango de valores favorables para aparición de vida, en ellos es altamente probable la aparición o existencia de la vida; eso si la naturaleza de esos Universos no es diferente a la del Nuestro.

Referencia:

Fuentes:

pdp.

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Energía obscura y materia obscura en una sola teoría.

La energía obscura y la materia obscura sólo comparten el calificativo.
Eso se debe a que aún se desconoce la naturaleza de ambas.
La materia obscura es la que se encarga de mantener unidas las estructuras galácticas. Por ejemplo: las estrellas más alejadas del centro galáctico se mueven más rápido de lo esperado por lo que deberían escapar. Así, las regiones externas deberían desmenuzarse. Sin embargo, es la materia obscura la que gravitacionalmente las mantiene en la galaxia.
No interactúa de otra manera con la materia ordinaria por lo que no puede detectársela de otra manera que la gravitatoria.

La energía obscura, es la que se encarga de hacer que la expansión del Universo sea cada vez mayor. Es el trabajo encargado de acelerar el alejamiento de las galaxias lejanas.
Si bien se la considera parte inherente del tramado espacio-tiempo, su naturaleza aún se estudia.

Para diciembre del 2018, se desarrolló un modelo que pretende explicar la naturaleza de ambas y más; las vincula como que tienen al mismo origen.
Recordemos que un modelo explicativo del comportamiento de un sistema, no necesariamente debe tener el mismo aspecto o apariencia física que ese sistema.
Por ejemplo: El modelo atómico de Bohr dado por un núcleo formado por protones y neutrones rodeado de electrones, es eso, un modelo que explica el comportamiento del átomo. Ahora, nadie vio un átomo para saber si es así o no… y no importa, el modelo sirve, explica y predice fielmente su comportamiento.

El modelo que trata de explicar a la materia y energía obscuras, se basa en un tipo de materia con una propiedad muy particular; es una materia “negativa”.
Si la materia es una forma de energía, y hay energías negativas como por ejemplo la potencial gravitatoria y los trabajos hechos en contra de una fuerza, bien, a alguien se le ocurrió que podría haber materia negativa.
No es la primera vez que se habla de materia negativa.
Se pueden modelar burbujas de aire en agua a través de materia negativa.

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Imagen crédito:  Mike Lewinski/Flickr, CC BY-ND

De hecho, hay modelos de materia negativa que explican el comportamiento de ciertas partículas halladas en experimentos de la laboratorio.

Para que este tipo de materia exista, habría que retocar otras teorías para que permitan su aparición en el Universo.
Esta materia tendría una propiedad repulsiva con la materia “positiva”.
Así, a gran escala, aceleraría por repulsión el alejamiento de los grandes sistemas galácticos. A escalas galácticas, los halos de materia obscura de las galaxias, se habrían formado de una manera similar a las burbujas de aire en el agua.

Video: Simulation of a Forming Dark Matter Halo.
This is a simulation from a scientific paper titled “A unifying theory of dark energy and dark matter: Negative masses and matter creation within a modified LambdaCDM framework” by Jamie Farnes.

Publicado el 21 nov. 2017

Las estrellas de las regiones externas de las galaxias no escaparían y podrían moverse más rápido de lo esperado, gracias a la repulsión que sienten desde afuera por parte de esta materia negativa. Dentro de la galaxia, la mayor cantidad de materia estaría dada por la materia ordinaria, por lo que la gravitación atractiva que todos conocemos sería la dominante.

Si bien no es mi especialidad, el único detalle que le encuentro a este modelo basado en materia negativa, es que su repulsión con la positiva no está de acuerdo con que la materia ordinaria se acumuló en los filamentos de materia obscura para formar las estructuras galaxias. Quizás este sea otro modelo a corregir.

Referencia:

Fuente:

  • A Unifying Theory of Dark Energy and Dark Matter: Negative Masses and Matter Creation within a Modified ΛCDM Framework, J. S. Farnes.
    (Submitted on 18 Dec 2017 (v1), last revised 26 Oct 2018 (this version, v2)).
    https://arxiv.org/abs/1712.07962

pdp.

Si E=MC^2, las estrellas podrían implicar la Energía Obscura.

Se sabe que el Universo está en una expansión acelerada y eso por el accionar de la Energía Obscura (EO).
La Naturaleza de esa energía es desconocida por eso se la llama “obscura”. Hay varias ideas al respecto, veámoslas.

Ilustración de evolución del Universo desde el Big Bang, pasando por la época obscura, primeras estrellas hasta hoy. – Crédito: European Southern Observatory (ESO)

El Universo se expande y la velocidad de alejamiento de los objetos aumenta con la distancia. En un principio, esa velocidad guardaba una relación lineal con la distancia.
Supongamos un Universo lineal. Estamos Nosotros en “O”, a nuestra derecha y a 1 cm. nuestros vecinos “v1” y 1 cm. a la derecha de ellos sus vecinos “v2”. Supongamos una expansión de 1 cm./seg. Luego de ese tiempo, v1 estará a 2 cm. de Nosotros y v2 estará a 4 cm. de Nosotros; eso es, 2 cm. hasta v1 más 1 cm. que estaba v2 de v1 más 1 cm. que se alejó v2 de v1.
Luego, v2 se alejó más de Nosotros que v1. Mientras que v1 recorrió 1 cm. en 1 seg., v2 recorrió 2 cm. en ese tiempo. Así la velocidad de alejamiento aumenta linealmente con la distancia como una consecuencia de la expansión Universal (Ley de Hubblehttps://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Hubble).
Pero a mayores distancias, las velocidades son mayores a lo que se espera. Eso implica una aceleración, o sea una fuerza de alejamiento, luego una energía (trabajo de una fuerza) de origen desconocido, o sea : obscura.

Algunos propusieron un modelo rotacional de Universo. De esta manera, la aceleración en la expansión estaría dada por una aceleración centrífuga que logra vencer a la gravedad que todo lo une (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/).
Incluso hay un modelo Cardassiano, basado en la Termodinámica, el que aún está en desarrollo pese a que explica bien las observaciones (pdp, 29/may./2017, El modelo Cardassiano de Universo, https://paolera.wordpress.com/2017/05/29/el-modelo-cardassiano-de-universo/).
También se pensó en que la EO es el resultado propio de la creación y expansión de la trama espacio-tiempo, así como el calor generado por la fricción cuando una fuerza mueve a un cuerpo (pdp, 05/ago./2018, Sobre el origen de la Energía Obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

Pero… ¿y si las estrellas con las responsables de esa aceleración de expansión?
Veamos.
La expansión sólo puede ser controlada por la gravedad que siempre es atractiva.
Esa gravedad depende de la masa que existente en el Universo, en ella, la masa dada por las estrellas.
Las grandes estructuras galácticas, están formadas principalmente por galaxias, las que están formadas principalmente por estrellas, así, las estrellas, cada una de ellas, colabora humildemente con la gravedad en este Universo (incluso Nosotros los seres vivos – no se puede deshojar una margarita sin perturbar una estrella – )
La materia es la que domina la gravedad y es una forma de energía.
Cuando apareció la materia en el Universo, aparecieron los campos gravitatorios con sus potenciales atractivos. Pero las estrellas son poderosas transmutadoras de materia en energía. La energía que producen las estrellas proviene de su masa. O sea que dada: E=MC2 donde E es la energía y M la masa que la produce, podemos calcular cuanta masa se utilizó para producir esa cantidad de energía.
De esta manera, si todas las estrellas del Universo están produciendo energía a costa de su masa, hay una pérdida de energía en forma de masa lo que lleva a una disminución del potencial gravitatorio que hace que Todo tienda a frenarse y hasta a re-colapsar.
Así, la expansión siente menos impedimentos gravitatorios y sigue su curso cada vez con menos resistencia, o sea que se gana aceleración.

Referencia:

pdp.

Por qué el Univeso no terminó como un agujero negro en lugar de expandirse en el Big Bang.

Artículo corregido el 17/oct./2018 a las 22:50 HOA (GMT -3).
Muchos se preguntan (y me preguntaron) por qué se expandió el Universo en lugar de colapsar como un agujero negro,
La respuesta no es fácil, ya que está relacionada con le evolución y futuro del Universo y eso aún no es tema cerrado.
Vayamos por partes.

Ilustración de agujero negro (Birmingham Libraries)

Recordemos qué es un agujero negro.
Es una región del espacio de la que no puede escapar la luz, y por lo tanto, nada.
La velocidad de escape de un objeto depende de la gravedad generada por la masa del objeto del que se quiere escapar. La gravedad de esa masa depende no sólo de ella sino de la distancia a ella (en realidad de su cuadrado). Cuando una estrella masiva colapsa, la gravedad fuera de ella es la misma ya que la distancia a ella y su masa se mantienen; pero sobre su superficie, la gravedad va en aumento porque la distancia al centro disminuye. Así, llega un momento en que el radio de ese objeto es tal que la luz no puede escapar; y como eso es una velocidad insuperable, nada podrá escapar. A ese radio se lo llama Horizonte de sucesos y tiene la propiedad de que alguien fuera de él no puede ver qué pasa dentro, pero alguien dentro sí puede ver qué pasa afuera, ya que la luz entra pero no sale. Incluso, la estrella (ahora estrella de Planck) puede seguir colapsando y no lo notaremos porque dentro de ese horizonte nada es observable ya que está a una distancia del centro de la estrella que impide la salida de la información.

La pregunta es: si en el origen, toda la masa del Universo estaba en una región muy pequeña (matemáticamente un punto), por qué se expandió en lugar de colapsar en un colosal agujero negro.
Una respuesta que leí por ahí, decía que, como con las estrellas masivas, en el colapso se produjo un estallido que expulsó materia dejando un núcleo compacto en forma de agujero negro.
Pero eso es terriblemente erróneo por varias razones.
La materia aún no existía para que colapse y estalle.
El agujero negro remanente estaría en el lugar donde se produjo el Big Bang y según el Principio cosmológico, el Big Bang se dio en todas partes al mismo tiempo (pdp, 20/jun./2014, Principio cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/). En otras palabras aún no existía el espacio alrededor de ese objeto capaz de colapsar, como sucede hoy en día alrededor de las estrellas masivas. Nada como hoy lo conocemos existía aún.

Cuando se produjo el Big Bang no sólo apareció la materia sino el espacio-tiempo y las leyes de la Física. En ese instante donde nacía el Todo, aparecían sus leyes, las que aún estamos descubriendo. Luego, no podemos suponer que en el origen, las cosas se comportaban como hoy.
Por ejemplo, el valor de las constantes Universales, como la de gravitación “G” y la velocidad de la luz en el vacío “C”, no habrían sido siempre las mismas (10/abr./2018, Estudiando el valor de G, https://paolera.wordpress.com/2018/04/10/estudiando-la-evolucion-de-g/) (pdp, 24/nov./ 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/).

Veamos lo que pudo haber pasado.
Si en el Big Bang apareció la materia y ésta tenía una velocidad de expansión que pudo ser frenada por gravitación, toda esa materia y el espacio que se generaba en ese proceso, habrían recolapsado en lo que sería un Big Crunch. Eso evidentemente no se dio.

Si la velocidad de expansión hubiese superado la de escape debido a la masa aparecida, todo se habría disipado en el espacio que se generaba. No habrían aparecido las partículas formando otras más complejas, y por lo tanto, nada de lo que hoy conocemos.

Evidentemente, las condiciones fueron tales que el Universo se dio en el sutil límite entre el recolapso y la brusca expansión.

El Universo se expandió, pero tuvo tiempo para la aparición de partículas que dieron origen a todo lo que hoy existe (pdp, 09/ago./ 2018, El origen de la materia en el Universo, https://paolera.wordpress.com/2018/08/09/el-origen-de-la-materia-en-el-universo-rompiendo-simetrias/). Luego, en su evolución, las leyes Físicas se fueron plasmando en lo que hoy seguimos estudiando. La energía obscura se encarga de mantener esa expansión y el estudio continua (pdp, 05/ago./ 2018, Sobre el origen de la energía obscura, https://paolera.wordpress.com/2018/08/05/sobre-el-origen-de-la-energia-obscura/).

Referencia:

pdp.

Sobre distancias y velocidades de las galaxias (estimando el Universo)

La Astronomía nos ubica en el Universo.
Primero nos sacó del centro del Sistema Solar y luego del de la Vía Láctea. Ahora estamos viendo hasta dónde llega el Universo, las distancias involucradas a las galaxias más lejanas; sus movimientos.
Al principio se midieron las distancias a las galaxias más cercanas y sus velocidades. Resultó que se alejaban y eso no fue todo. Se escapaban más rápido con la distancia. Ahí nació la constante de expansión de Hubble, que nos dice la velocidad de alejamiento en función de la lejanía. Luego, sabiendo que ciertas estrellas variables tienen un brillo intrínseco, se las usó como candelas para estimar las distancias. Midiendo su brillo aparente, se puede saber en base al intrínseco, la distancia a la galaxia donde se encuentra. En base a esa distancia se esperaba que tengan una velocidad de alejamiento dada por la constante de Hubble, pero resultó que se escapaban con mayor velocidad. Apareció la aceleración dada por la energía obscura.
Ahora hay modelos basados en la materia obscura que nos dan la probabilidad de hallar una galaxia a cierta distancia, a esa colección de estimaciones se la conoce como escala de distancia inversa, escala de distancia cósmica o escala de distancia extragaláctica (cosmic distance ladder – https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_distance_ladder).

Esquema de evolución del Universo crédito de C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, AND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47)

El problema de las distancias y velocidades no es sencillo a grandes escalas.
Sabemos que cuando vemos un objeto muy lejano, lo vemos como era hace mucho tiempo atrás debido al tiempo que tarda en llegarnos la luz. Luego, en el caso de una galaxia, la observamos joven a una cierta distancia con cierta velocidad de alejamiento. Pero en todo ese tiempo que tardó en llegarnos su imagen, ésta se alejó más. Ahora, ¿dónde está?, ¿cómo se mueve?.
Sólo podemos conjeturar respuestas en base a los modelos que tenemos. Éstos se pueden extrapolar, suponer que las cosas mantienen sus propiedades con el tiempo, pero… ¿hasta dónde o cuándo? No nos olvidemos que a cierta distancia las cosas se alejaban todas con la misma velocidad, luego con mayores y a mayor distancia hay aceleración. Donde unos métodos son buenos, otros fallan, hay errores involcrados y todos dependen de las tan preciadas distancias y velocidades buscadas.

No es fácil.
Es sutil y fascinate.

Referencia:

pdp.

Sobre el origen de la Energía Obscura.

Es útil explicar la expansión acelerada del Universo, cómo interviene la energía obscura y si es posible, explicar su origen.
Eso es lo que trataré de hacer con lo que se conjetura a mediados del 2018.

Ilustración de Universo crédito de JINYI YANG, UNIVERSITY OF ARIZONA; REIDAR HAHN, FERMILAB; M. NEWHOUSE NOAO/AURA/NSF

La expansión.
Sabemos que el Universo nació del Big-Bang, donde todo estaba contenido en un punto (singularidad). Supongamos tres puntos: A, B, C. Nosotros estamos en A y para simplificar el problema, supondremos una expansión en una sola dirección. Sea que luego de un segundo, B está 1m. a nuestra derecha y C está 1m. a la derecha de B, o sea a 2m. de nosotros. Si entonces, nosotros en A, observamos el universo, le mediremos una edad de 1 segundo y veremos que B se nos escapa a 1m/seg. y C (a 1m. de B y a 2m. de nosotros) se escapa a 2m/seg. ya que esas fueron las distancias recorridas en el segundo que hace que comenzó todo.
Esto será igual no importa donde nos encontremos por el principio cosmológico que establece que el Big-Bang se dio en todas partes al mismo tiempo (pdp, 20/jun.2014, El Principio Cosmológico, https://paolera.wordpress.com/2014/06/20/el-principio-cosmologico/)
Concluimos entonces que nuestro universo se expande con velocidad constante, y debido a eso, los objetos lejanos se escapan con velocidades que crecen linealmente con la distancia.
Pero en realidad no es así lo que se observa. Los objetos lejanos se escapan con velocidades cada vez mayores con la distancia, las que no aumentan linealmente con ella. Luego hay una aceleración en la expansión, lo que implica una fuerza, la que implica trabajo, o sea energía. Como no sabemos cual es su origen, la llamamos energía obscura.

Algunos conjeturaron un origen rotacional para esa energía. O sea que se trata de una energía dada por una aceleración centrífuga en un Universo en rotación. Como los objetos se alejan entre sí, la gravedad mutua disminuye y no alcanza a compensar la fuerza centrífuga (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/)

Pero puede ser que la energía obscura sea inherente al  espacio, parte fundamental del mismo.
Veamos eso.

Trabajo y energía.
Si queremos mover una mesa, le aplicamos una fuerza empujándola. Esa fuerza realiza un trabajo en la dirección de movimiento (trabajo positivo), el que se traduce en energía cinética de la mesa (la mesa se mueve). Pero en las patas de la mesa aparece una fuerza de rozamiento o fricción con el suelo que ejerce trabajo en contra del movimiento (trabajo negativo). Este trabajo transforma parte de la energía en calor por lo que la mesa pierde velocidad y debemos seguir empujándola. Así, el trabajo de nuestra fuerza se transforma en energía cinética para la mesa y en calor por fricción que es absorbido por el suelo, las patas de la mesa y el aire. O sea que el trabajo es energía y ésta se conserva, se transforma pero no se pierde.

Un Universo dominado por materia y radiación, se comporta muy parecido a un gas a cierta temperatura en un recipiente.
Las moléculas del gas se mueven y chocan con las paredes del recipiente. En este proceso, transforman energía cinética en trabajo para expandir el volumen que las contiene. Luego de un tiempo, las moléculas gastaron su energía en trabajo y la expansión se frena.
En el caso de un Universo de este tipo, la expansión lleva velocidad constante y eventualmente podría terminar deteniéndose. En este último caso, la paciente gravedad comienza la contracción.

Pero un Universo dominado por energía obscura se comporta de manera opuesta.
En la expansión se va generando más trama de espacio y en ese proceso aparece energía como resultado de un trabajo (negativo) sobre esa expansión.
De esta manera, la energía obscura es propia del la trama del espacio. Así, ésta aumenta con la expansión a medida que se genera más trama espacial, manteniendo constante la densidad de energía (energía por unidad de volumen). Esto resulta en un aumento de la energía en el Universo. Tal vez la conservación no se dé a escalas cósmicas. Luego, de alguna forma, esa energía es aprovechada para acelerar a los objetos lejanos.

Fuente:

pdp.

La energía obscura como efecto de un Universo en rotación.

Para que un cuerpo rote alrededor de un punto, debe sentir una fuerza centrípeta (hacia el centro) que le cambie punto a punto su dirección. Si atamos una piedra a una cuerda elástica y la hacemos girar reboleándola con la mano, veremos que la cuerda se estira. Eso se debe a que la piedra tiende a escapar. Al hacerlo, se tensa la cuerda y le aplica una fuerza centrípeta a la piedra. Así se mantiene girando en torno al centro del movimiento (nuestra mano).
Si apuramos el movimiento, la piedra en su afán de escapar, tira de la cuerda entregándole una fuerza centrífuga (hacia afuera) al extremo de la cuerda atado a la piedra. Ésta se estira por la acción de esa fuerza, se tensa más, y le entrega una mayor fuerza centrípeta a la piedra obligándola a seguir en rotación. Así, como fuerzas de acción y reacción, ambas son iguales y opuestas, y no se anulan sencillamente por estar aplicadas en diferentes puntos; la centrípeta en la piedra, y la centrífuga en el extremo de la cuerda.

Imaginemos ahora una caja con pelotitas en su interior. Si esa caja comienza a rotar alrededor de un eje que la atraviesa, las pelotitas participarán de esa rotación. Si no hay algo que les ejerza una fuerza centrípeta, las pelotitas se desparramarán por la caja alejándose del eje de rotación. En particular, se irán contra las paredes donde recibirán una fuerza centrípeta aplicada por ellas y rotarán pegadas a las paredes de la caja. A su vez, las pelotitas entregarán a las paredes una fuerza centrífuga que tenderá a deformalas.

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Imagen del campo ultra profundo del telescopio Hubble publicada en Wikipedia.

Supongamos un Universo en rotación. Con una rotación primordial existente desde el Big-Bang. El espacio-tiempo, esa trama donde vive la materia y se propagan las ondas electromagnéticas y gravitatorias, participará de esa rotación. De esta manera, si nada le aplica una fuerza centrípeta a las estructuras galácticas, éstas se alejará por la acción de las componentes centrífugas debidas a la rotación del Universo; como las pelotitas en la caja que rota.
Si bien nada está quieto en el Universo, la existencia de una rotación Universal haría que todo a gran escala se aleje como oponiéndose a la gravedad. Así, existiría un efecto repulsivo contrario a la gravitación como lo es la energía obscura.
Luego, un trabajo en cosmología propone que la repulsión debida a la energía obscura, puede estar siendo generada por un efecto centrífugo de la rotación del Universo.

Fuente:

pdp.