Un nuevo criterio para la nueva física

Actualmente se piensa que la mejor explicación de cómo surgió el Universo es que nació hace aproximadamente 13.800 millones de años en la inflación exponencial salvaje, maravillosa y profundamente misteriosa del Big Bang, por lo que se disparó en tamaño desde el de una partícula elemental para alcanzar tamaño macroscópico en la más mínima fracción de segundo. El espacio-tiempo se ha ido haciendo más y más grande, más y más frío desde entonces, evolucionando desde su condición original cálida y densa, solo para expandirse a un ritmo mucho más majestuoso hacia su propia perdición. Vivimos en un Universo misterioso, la mayor parte del cual no podemos ver, y se cree que su tasa actual de expansión es causada por una extraña sustancia llamada Energía oscura. Energía oscura generalmente se considera que es una propiedad del propio espacio, y surgió por primera vez en los cálculos de Albert Einstein que formaron su Teoría de la Relatividad General (1915).

Sin embargo, mucho, mucho Se desconoce más de nuestro Universo de lo que se sabe. En febrero de 2018, los astrónomos anunciaron que habían utilizado la NASA Telescopio espacial Hubble (HST) para realizar las mediciones más precisas de la tasa de expansión del Universo desde que se calculó por primera vez hace casi un siglo. Los intrigantes resultados de estas nuevas mediciones están obligando a los astrónomos a considerar que pueden estar viendo evidencia fascinante de algo sorprendente en el Cosmos.

Esto se debe a que el HST Las mediciones confirman una discrepancia preocupante, que revela que el Universo actualmente se está expandiendo más rápido de lo que esperaban los científicos, según su trayectoria vista poco después del Big Bang. Los astrónomos ahora proponen que puede haber una nueva física para explicar la inconsistencia.

“La comunidad realmente está luchando por comprender el significado de esta discrepancia”, comentó el investigador principal y premio Nobel, el Dr. Adam Riess, en un comunicado del 22 de febrero de 2018. Comunicado de prensa del sitio Hubble. El Dr. Riess es del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScl) y la Universidad Johns Hopkins, ambas en Baltimore, Maryland.

El equipo del Dr. Riess, que también incluye al Dr. Stefano Casertano (también de STScl y Johns Hopkins), ha estado haciendo uso de la famosa telescopio espacial Hubble durante la última media docena de años para hacer más precisas las medidas de las distancias a las galaxias, utilizando sus estrellas constituyentes como marcadores de distancia. Esas medidas luego se usan para calcular qué tan rápido se expande el Universo con el tiempo, un valor denominado constante de Hubble. El nuevo estudio del equipo ha aumentado el número de estrellas analizadas a distancias 10 veces más lejanas en el espacio que antes. HST resultados.

Sin embargo, el nuevo valor del Dr. Riess presenta un problema debido al conflicto entre él y el valor esperado derivado de las observaciones de la expansión del Universo primordial, 378 000 años después del Big Bang, la violenta explosión del nacimiento que creó el Universo hace casi 14 000 millones de años. atrás. Esas medidas fueron hechas por el Satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESO)que mapea la fondo cósmico de microondas (CMB). El CMB es el resplandor reliquia del propio Big Bang, y revela maravillosos secretos del comienzo del Universo a los ojos curiosos de los científicos curiosos. La diferencia entre los dos valores contradictorios es de aproximadamente el 9 por ciento. El nuevo HST las mediciones ayudan a los científicos a reducir la posibilidad de que la discrepancia en los valores sea una mera coincidencia a 1 en 5000.

El Satélite Planck resultados predicen que el constante de Hubble el valor ahora debería ser de 67 kilómetros por segundo por megaparsec, que es de 3,3 millones de años luz, y no podría superar los 69 kilómetros por segundo por megaparsec. Esto básicamente indica que por cada 3,3 millones de años luz más lejos de nosotros se encuentra una galaxia remota, se mueve 67 kilómetros por segundo más rápido.

Sin embargo, el equipo del Dr. Riess encontró algo más. Lo que encontraron fue un valor medido diferente de 73 kilómetros por segundo por megaparsec. Por supuesto, esta es una tasa considerablemente más rápida de lo que se esperaba. Significa que las galaxias están galopando a lo largo del espacio-tiempo más rápido de lo que indicaban previamente las observaciones del Universo antiguo.

De hecho, el HST los datos son tan precisos que los astrónomos no pueden simplemente ignorar la brecha inquietante, perturbadora e increíblemente intrigante entre los dos resultados diferentes como meros errores en una sola medición o método. Como explicó el Dr. Riess en el 22 de febrero de 2018 Comunicado de prensa del sitio Hubble: “Ambos estudios se han probado de múltiples maneras, por lo que, salvo una serie de errores no relacionados, es cada vez más probable que esto no sea un error sino una característica del Universo”.

El universo se precipita a través del espacio-tiempo hacia su propia desaparición

Los observadores de estrellas han contemplado el cielo nocturno iluminado por las estrellas sobre la Tierra durante miles de años y se han hecho preguntas profundas sobre la edad y el tamaño del Universo. ¿Termina el Universo en alguna parte; ¿Tiene un borde, o continúa para siempre, a lo largo de una Eternidad inimaginable? ¿Nuestro Universo tuvo un Comienzo? Y, si nuestro Universo tuvo, en efecto, un Comienzo definido y profundo, ¿experimentará también un Final profundo, final y fatal?

En 1929, Edwin Hubble (por quien se nombró al famoso telescopio espacial), hizo el importante descubrimiento que finalmente allanó el camino para respuestas genuinamente científicas a estas preguntas previamente filosóficas. Edwin Hubble descubrió, cuando trabajaba como astrónomo en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Pasadena, que el Universo se está expandiendo. Antes de que Hubble hiciera su descubrimiento, la mayoría de los científicos creían que el Universo es estático e inmutable y, por lo tanto, no se expande.

Los filósofos antiguos fueron los primeros en hacer preguntas profundas sobre la naturaleza del Cosmos. Por ejemplo, los antiguos griegos entendieron que era difícil incluso imaginar cómo sería un Universo infinito. Sin embargo, también reflexionaron sobre la pregunta desconcertante de que, si el Universo fuera finito y te salieras de su borde, ¿dónde terminarías? Los antiguos griegos dos preguntas sin respuesta crearon una paradoja. El Universo tenía que ser finito o infinito, y ambos escenarios opuestos presentaban dos problemas extremadamente difíciles.

Después del surgimiento de la astronomía científica moderna, otra paradoja comenzó a acosar a los astrónomos. A principios de la década de 1800, el astrónomo alemán Heinrich Olbers propuso que el Universo tenía que ser finito. Esto se debe a que, según Olbers, si el Universo fuera infinito y albergara estrellas a lo largo de su extensión sin fin, entonces si miraras al cielo en cualquier dirección en particular, tu línea de visión eventualmente descansaría sobre la superficie de una estrella. Aunque el tamaño aparente de una estrella que brilla en el cielo se vuelve cada vez más pequeño a medida que aumenta la distancia a esa estrella en particular, el brillo de esta superficie estelar más pequeña permanece constante. Por lo tanto, según esta línea de razonamiento, si el Universo fuera infinito, toda la superficie del cielo nocturno debería ser tan deslumbrante y brillante como la superficie de una estrella. Esto, por supuesto, no es el caso. Obviamente, hay franjas oscuras en el cielo nocturno sobre nuestro planeta. Por lo tanto, razonó Olbers, el Universo tenía que ser finito.

Isaac Newton se dio cuenta de que la gravedad siempre es atractiva cuando descubrió la ley de la gravedad. Todos y cada uno de los objetos del Universo atraen a todos los demás objetos. Imagine el resultado de esto si, de hecho, el Universo es finito. Obviamente, la atracción gravitacional mutua de todos los objetos que habitan el Universo, debería haber causado que el Universo entero colapsara sobre sí mismo. Por supuesto, esto no ha sucedido, por lo que los astrónomos se vieron atrapados en esta paradoja verdaderamente difícil.

Albert Einstein, mientras desarrollaba su Teoría General de la Relatividad, también creía que se había quedado atascado con este problema aparentemente insuperable. Las ecuaciones de Einstein mostraron que el Universo debería estar colapsando o expandiéndose. Sin embargo, Einstein, como otros físicos de su época, pensó que el Universo es estático, y su solución original contenía un término constante: el constante cosmológica. El constante cosmológica canceló claramente los efectos de la gravedad en las escalas más grandes y dio como resultado el Universo estático deseado. Después de que Hubble descubriera que el Universo no es estático, sino que se expande, se dice que Einstein llamó a la constante cosmológica su “mayor error”.

Se estaban construyendo telescopios más grandes al mismo tiempo, y pudieron medir con precisión la espectros (la intensidad de la luz en función de longitud de onda) de objetos oscuros. Los astrónomos, utilizando estos datos recién adquiridos, intentaron comprender la miríada de objetos nebulosos débiles que ahora podían ver con los nuevos telescopios. Entre 1912 y 1922, el astrónomo Vesto Slipher de la Observatorio Lowell en Arizona descubrió que los espectros de la luz que viajaba desde una gran cantidad de estos objetos se desplazaban sistemáticamente a longitudes de onda más largas (desplazado al rojo). Poco después, otros astrónomos pudieron demostrar que estos tenues objetos nebulosos eran galaxias remotas más allá de la nuestra. Nuestra galaxia espiral, la Vía Láctea, no era una isla en absoluto, como se había pensado anteriormente, tenía mucha compañía. De hecho, nuestra Galaxia es solo una de los miles de millones que bailan a través de la franja relativamente pequeña del Universo que podemos observar: la universo observable. Todo lo que pueda residir más allá del universo observable está más allá del horizonte de nuestra visibilidad porque la luz que sale de esas regiones inimaginablemente remotas no ha tenido tiempo de alcanzarnos desde el Big Bang hace casi 14 mil millones de años. Ninguna señal conocida puede viajar más rápido que la luz en el vacío, por lo que la velocidad de la luz establece una especie de límite de velocidad universal.

Durante esta misma era altamente productiva en la historia de la astronomía, otros matemáticos y físicos que trabajaban en la teoría de Einstein Relatividad general, descubrió que las ecuaciones contenían algunas soluciones que describían un Universo en expansión. En estas soluciones, la luz que viaja desde objetos distantes sería desplazado al rojo mientras fluía su brillante camino a través de la expansión del Espacio-tiempo. Por lo tanto, la corrimiento al rojo aumentaría al aumentar la distancia al objeto que emite la luz.

En 1929, Edwin Hubble midió la corrimientos al rojo de muchas galaxias lejanas. También pasó a medir sus distancias relativas midiendo el brillo aparente de una clase especial de estrellas variables llamado cefeidas habitando cada galaxia. Cuando Hubble trazó corrimiento al rojo contra la distancia relativa, descubrió que el corrimiento al rojo de galaxias remotas aumentó como una función lineal de su distancia. Solo podría haber una explicación para esta observación: el Universo se está expandiendo.

Cuando los astrónomos se dieron cuenta de que el Universo se está expandiendo, inmediatamente entendieron que tenía que haber sido más pequeño en el pasado. En algún momento del pasado, calcularon, todo el Universo habría sido un solo punto. Este punto, más tarde llamado Big Bang, fue el comienzo, el nacimiento, del Universo tal como lo entendemos hoy.

Por lo tanto, el Universo es finito, tanto en el Espacio como en el Tiempo. La razón por la que el Universo no colapsó sobre sí mismo, como indicaban las ecuaciones de Newton y Einstein, es que se había estado expandiendo desde el momento de su nacimiento. El Universo está en un constante estado de cambio, no es estático. El Universo en expansión, una idea relativamente nueva en la física moderna, puso fin a las persistentes paradojas que atormentaban las noches de insomnio de muchos científicos desde la época de los filósofos antiguos hasta principios del siglo XX.

Vivimos en un Universo misterioso, la mayor parte del cual no podemos ver con nuestros ojos humanos. Las galaxias, los cúmulos de galaxias y los supercúmulos de galaxias están anidados en halos compuestos de una extraña forma transparente de materia no atómica a la que los científicos se refieren como materia oscura. Este material no identificado es mucho más abundante que la materia atómica que compone el Universo con el que estamos familiarizados: estrellas, planetas, lunas, árboles y personas, por ejemplo. A gran escala, el Universo entero se ve igual donde quiera que miremos, mostrando una apariencia burbujeante y espumosa, con una textura muy pesada. materia oscura filamentos que se retuercen y se enrollan entre sí, tejiendo una estructura similar a una red que (apropiadamente) se conoce como el Red Cósmica. Aunque invisibles, los filamentos del Red cósmica se perfilan por el brillo seductor de una multitud de fuegos estelares. Las estrellas trazan inmensas láminas y trenzas entrelazadas que albergan las galaxias repletas de estrellas que habitan el universo observable.

La temperatura a lo largo de la bola de fuego original del Big Bang era casi pero no precisamente uniforme. Esta variación exquisitamente diminuta de la uniformidad exacta es responsable de la formación de todo lo que somos y todo lo que podemos llegar a conocer. Antes del periodo de inflación ocurrió, el Parche extremadamente pequeño, del tamaño de una partícula elemental, que finalmente se expandió para convertirse en el Universo, era completamente homogéneo, suave y parecía ser el mismo en todas las direcciones. El período primitivo de inflación se cree que explica cómo ese Parche originalmente homogéneo comenzó a ondular. Las pequeñas fluctuaciones, las ondas primordiales en el espacio-tiempo, ocurrieron en las unidades más pequeñas que se pueden medir. (cuántico). Inflación explica cómo estos cuántico Las fluctuaciones en el Universo bebé eventualmente crecieron hasta convertirse en estructuras a gran escala como galaxias, cúmulos de galaxias y supercúmulos. Dondequiera que miremos cuando observamos el Universo, vemos exactamente lo mismo. Se ha interpretado que esto significa que en un tiempo extremadamente antiguo todo estaba aplastado en un punto diminuto donde todo estaba en contacto con todo lo demás. En el nacimiento del espacio-tiempo, cada región estaba en contacto con todas las demás regiones.

Imagina el Universo como una hogaza de pan de semillas de amapola que se eleva. A medida que la masa de levadura comienza a subir (inflarse), las semillas de amapola se alejan cada vez más unas de otras. Si este drama de la cocina se reprodujera al revés, la masa se encogería y todas las semillas de amapola estarían una encima de la otra.

envuelto en la oscuridad

El Dr. Adam Riess sugiere algunas posibles explicaciones para la expansión del Universo más rápida de lo esperado, y todas están relacionadas con el 95% del Cosmos que está envuelto en una misteriosa oscuridad. Una de las posibilidades propuestas por el Dr. Riess es que el energía oscura, que ya se sabe que es acelerador la expansión del Universo, puede estar alejando las galaxias unas de otras con una fuerza aún mayor, o cada vez mayor. Básicamente, esto significa que la aceleración en sí misma puede no tener un valor constante. En cambio, la expansión acelerada del Universo puede cambiar con el tiempo. El Dr. Riess compartió el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de 1998 de la expansión acelerada del espacio-tiempo.

Otra propuesta más sugiere que el Universo alberga una nueva partícula subatómica que vuela chillando a través del espacio-tiempo a casi la velocidad de la luz. Tales partículas galopando rápidamente se denominan colectivamente “radiación oscura”, e incluye partículas previamente desconocidas como neutrinos. Neutrinos se forman en reacciones nucleares y desintegraciones radiactivas. A diferencia de un normal neutrino, que interactúa a través de una fuerza subatómica, la nueva partícula estaría influenciada únicamente por la gravedad. Esta es la razón por la que se denomina “neutrino estéril”.

Otra propuesta (especialmente intrigante) es que los no atómicos invisibles materia oscura las partículas interactúan más fuertemente con la materia atómica normal (llamada “ordinaria”) de lo que se había planteado previamente.

Cualquiera de estas teorías cambiaría el contenido del Universo primordial, lo que conduciría a inconsistencias en los modelos teóricos. Estas inconsistencias darían como resultado un valor incorrecto para el constante de hubble, calculado a partir de las observaciones del Universo bebé. Por lo tanto, el valor diferiría del HST observaciones.

Hasta el momento, el Dr. Riess y sus colegas no tienen una respuesta a este persistente problema. Sin embargo, su equipo planea continuar trabajando para ajustar la tasa de expansión del Universo. En ese momento, el equipo del Dr. Riess, llamó al Supernova H0 Para el Ecuación de Estado (ZAPATOS), ha disminuido la incertidumbre al 2,3 por ciento. Antes HST fue lanzado en 1990, las estimaciones de la Constante de Hubble difieren por un factor de dos. Uno de HST El objetivo principal era ayudar a los astrónomos en sus esfuerzos por reducir el valor de la incertidumbre a un error de solo el 10 %. Desde 2005, el grupo ha estado tratando de refinar la precisión de la Constante de Hubble con una precisión que permite una mejor comprensión del misterioso comportamiento del Universo.

El equipo de astrónomos ha tenido éxito en refinar el valor de la Constante de Hubble fortaleciendo y racionalizando la construcción de la distancia cósmica escalera. Los astrónomos utilizan el escalera de distancia cósmica para medir con precisión las distancias a las galaxias que están tanto cerca como lejos de nuestro planeta. Los astrónomos compararon esas distancias con la expansión del espacio-tiempo medida por el estiramiento de la luz viajera que sale de las galaxias que se alejan de la Tierra. Luego, los científicos utilizaron la velocidad aparente hacia el exterior de las galaxias a cada distancia para calcular la Constante de Hubble.

Sin embargo, el valor de la Constante de Hubble es tan preciso como la precisión de las mediciones. Con el fin de lograr la precisión necesaria, los astrónomos han elegido clases especiales de estrellas y supernovas para usar como varas de medir cósmicas o marcadores de hitos para medir con precisión las distancias galácticas.

variable cefeida las estrellas son las varas de medir más confiables para los astrónomos cuando miden distancias más cortas. Variables cefeidas son estrellas pulsantes que se iluminan y se oscurecen a velocidades que corresponden a su brillo intrínseco. Como resultado, sus distancias se pueden calcular comparando su brillo intrínseco con su brillo aparente observado desde nuestro planeta.

El más reciente HST resultado se basa en las mediciones de la paralaje de ocho recién estudiados cefeidas en nuestra propia Vía Láctea. Estas estrellas variables están aproximadamente 10 veces más distantes que cualquiera de las estudiadas anteriormente. cefeidas, situados entre 6.000 años luz y 12.000 años luz de la Tierra, lo que los hace más difíciles de medir. Estos cefeidas pulsar a intervalos más largos, al igual que el cefeidas observado por HST que habitan galaxias remotas que albergan otra vara de medir cósmica confiable: estrellas que explotan brillantemente llamadas Supernovas de tipo Ia. Este tipo particular de supernova brilla con un brillo uniforme y es lo suficientemente deslumbrante como para ser observada desde una distancia relativamente mayor. Más temprano HST observaciones estudiadas 10 más-rápidamente-parpadeo cefeidas situado de 300 años luz a 1.600 años luz de la Tierra.

Para medir el paralaje con HSTlos astrónomos tuvieron que determinar los pequeños bamboleos aparentes de la cefeidas causada por la órbita de la Tierra alrededor de nuestro Sol. Estos pequeños bamboleos tienen aproximadamente el tamaño de 1/100 de un solo píxel en la cámara del telescopio espacial, que es aproximadamente el tamaño aparente de un grano de arena visto por un observador que se encuentra a 100 millas de distancia.

Por lo tanto, para garantizar la precisión de las mediciones, los científicos desarrollaron un método ingenioso que se desconocía en ese momento. HST fue lanzado Los astrónomos desarrollaron un método de exploración en el que la HST midió la posición de una estrella mil veces por minuto cada seis meses durante cuatro años.

Luego, el equipo calibró el brillo real de las ocho pulsaciones lentas cefeidas y los correlacionó con sus hermanos parpadeantes más remotos para ajustar las imprecisiones en su escala de distancia. Entonces los astrónomos compararon el brillo de la cefeidas y supernovas en esas galaxias con mayor confianza. De esta manera, pudieron medir con mayor precisión el brillo real de la estrella, calculando así con mayor precisión las distancias a cientos de supernovas en galaxias remotas.

La nueva técnica implica HST deslizándose lentamente a través de una estrella objetivo, obteniendo así la imagen como un rayo de luz. La ventaja de esta técnica permite repetidas oportunidades para medir los desplazamientos extremadamente pequeños que resultan del paralaje. Los astrónomos miden la separación entre dos estrellas, no solo en un lugar de la cámara, sino miles de veces, reduciendo así los errores de medición.

El objetivo del equipo es reducir aún más la incertidumbre mediante el uso de datos obtenidos de HST y el Observatorio espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esto medirá las posiciones y distancias de las estrellas variables con una precisión sin precedentes.

Como comentó el Dr. Casertano en el 22 de febrero de 2018 Comunicado de prensa del sitio Hubble: “Esta precisión es lo que se necesitará para diagnosticar la causa de esta discrepancia”.

La nueva investigación se publicará en El Diario Astrofísico.