Expansión de energía oscura

Las nuevas características adicionales de Cosmos mencionan que hace aproximadamente 6,771,500,000 años el universo comenzó una expansión acelerada. Cómo sabemos esto? ¿Qué evidencia tenemos de esta expansión renovada y acelerada?

Desde el calendario cósmico interactivo en el nuevo Cosmos bluray, fechas anteriores tomadas del encabezado

Hasta [ahora], la gravedad ha estado frenando la expansión del universo, pero de repente una fuerza misteriosa y desconocida que llamamos energía oscura se hace cargo, la expansión del universo comienza a acelerarse

¿Cómo sabemos que era energía oscura? Dado que no podemos definir o detectar la energía oscura, ¿por qué creemos que esta es la causa? ¿Cómo sabemos que sucedió esta nueva aceleración? ¿Algo en el cambio rojo? ¿Hay una brecha en el cambio rojo en las cosas que podemos ver que implicaría una expansión lenta y luego una expansión rápida? Si hay una brecha, ¿por qué la energía oscura es la única explicación? ¿O hay otras teorías?

Sí, son muchas preguntas, pero la pregunta principal es ¿cómo sabemos que ocurrió una expansión acelerada en ese momento? el resto de las preguntas se derivan de eso, principalmente al pedir datos para respaldar reclamos, a favor o en contra

¿Cosmos está usando seriamente ese número exacto? Huevos ... si lo son, no lo tomen demasiado en serio, pero de lo contrario probablemente sean conceptualmente correctos.

¿Cómo sabemos que era energía oscura?

En cosmología, el modelo ΛCDM se ajusta a numerosas observaciones, especialmente las observadas por el satélite WMAP , pero también a otras, a la familia de soluciones de relatividad general Friedmann-Robertson-Walker, que describen un universo homogéneo e isotrópico. los$\Lambda$se refiere a la constante cosmológica, que es el modelo más simple de energía oscura, y es equivalente a una densidad de energía intrínseca del vacío; por lo tanto, debe ser invariante de Lorentz, y dado que el tiempo y el espacio se mezclan en una transformación de Lorentz, el único para que eso sea así es para que su presión sea igual a exactamente lo negativo de su densidad de energía. Con$\Lambda>0$, la presión es negativa, y esto es lo que es responsable de la aceleración gravitacional externa del universo.

Dado que no podemos definir o detectar la energía oscura, ¿por qué creemos que esta es la causa?

La constante cosmológica se definió ocho décadas antes del descubrimiento de la aceleración cósmica, y creemos que es la causa porque es teóricamente muy simple y se ajusta a las observaciones. Sin embargo, hay otros modelos para la energía oscura.

¿Cómo sabemos que sucedió esta nueva aceleración?

La evolución cosmológica se describe mediante las ecuaciones de Friedmann , que tienen la principal contribución de la radiación, la materia y la energía oscura, además de la curvatura espacial del universo. A medida que el universo se expande, tanto la radiación como la materia se diluyen, pero la energía oscura no. Por lo tanto, si el universo sigue expandiéndose, la proporción de energía oscura se vuelve dominante sobre la radiación y la materia.

Lo más probable es que el artículo sea simplemente una referencia exagerada a la transición entre la era dominada por la materia y la era dominada por la energía oscura . El número particular$6,771,500,000$ Los años parecen cómicamente precisos para casi todo en cosmología, pero desde los nueve años WMAP + eCMB + BAO + H₀ (ver el enlace WMAP anterior) para la edad del universo es $13.772\pm0.059\,\mathrm{Ga}$Propongo la siguiente explicación:

1. El autor escucha que la edad del universo es $13.772$ mil millones de años, e ignora por completo cualquier límite de error en esa estimación.
2. El autor escucha en otro lugar que la era dominada por la energía oscura comenzó cuando el universo estaba alrededor $7$ mil millones de años, y nuevamente trata este número como exacto.
3. El autor luego resta los dos.

Esto explica todo menos el último $0.5\,\mathrm{Ma}$, que alrededor de una diezmilésima. Concluyo que mi teoría del origen del número concuerda bastante bien con la evidencia empírica de las palabras del autor. Quizás el$0.5$ ya que el siguiente dígito se racionalizó como una especie de punto intermedio en la mente del autor.

En cuanto a donde $7$ millones de años provienen, tengo dos conjeturas.

1. En cosmología, el parámetro de Hubble a veces se toma sin unidades, escalando a $100\,\mathrm{km/s/Mpc}$. Por ejemplo, a veces decimos que$h = 0.704$ cuando queremos decir eso $H_0 = 70.4\,\mathrm{km/s/Mpc}$. Así,$100\,\mathrm{km/s/Mpc}$es una especie de estándar de comparación de facto. Puede ser una coincidencia, pero es bastante sospechoso que si uno ignora la contribución de la radiación (lo cual es justificable, ya que es insignificante, excepto en el universo muy temprano) y pretende que$H_0 = 100\,\mathrm{km/s/Mpc}$, entonces la edad del universo cuando las densidades de materia y energía oscura son iguales sería $$\frac{2\ln(1+\sqrt{2})}{3\sqrt{1-\Omega_\text{M}}}\frac{1}{H_0}\bigg\vert_{\Omega_\text{M} = 0.2865} \approx 0.70H_0^{-1}\bigg\vert_{h = 1.0} \approx 6.8\,\mathrm{Ga}$$ Estoy usando la referencia de Ryden dada en wiki para la era dominada por la materia anterior. Por lo tanto, creo que alguien hizo una estimación con un número redondo agradable para el parámetro Hubble y redondeado a$7$ mil millones de años.
2. La transición entre dominada por la materia y dominada por la energía oscura es una cuestión de convención algo arbitraria. Nos podríamos tomamos significa cuando materia y energía oscura densidades son iguales, como anteriormente, pero en la escala cosmológica, la presión es tres veces tan importante como la densidad de energía (cf. Friedmann ecuaciones). Por lo tanto, podríamos tomarlo como el momento en que la densidad de materia era el doble de la densidad de energía oscura. Esto sería antes que el$9.8\,\mathrm{Ga}$dado en la referencia de Ryden, pero podría decirse que es más apropiado porque las ecuaciones de Friedmann predecirían la aceleración cero, es decir, sería la transición entre la aceleración hacia adentro y hacia afuera. No he calculado cuándo sería eso, pero este tipo de confusión convencional podría ser responsable de la discrepancia entre la era dominada por la materia de la wiki y las páginas de la era dominada por la energía oscura . Aunque este último afirma$5\,\mathrm{Ga}$ en cambio, en lugar de $7\,\mathrm{Ga}$ (pero no explica la fuente).

Entonces, Cosmos puede o no tener razón sobre la era dominada por la energía oscura que comienza cuando el universo $7$ mil millones de años, pero concluyendo que sucedió $6.7715\,\mathrm{Ga}$ Ciertamente, algunos números son demasiado exactos para ser justificables.

¿Algo en el cambio rojo?

Creo que en este punto es mejor hacer una pregunta por separado sobre problemas específicos con el modelo ΛCDM, si tiene alguno. A los fines de esta pregunta, estoy tomando ΛCDM como un hecho, como casi seguro que Cosmos también lo está haciendo.

Sí, son muchas preguntas, pero la pregunta principal es ¿cómo sabemos que ocurrió una expansión acelerada en ese momento?

El modelo cosmológico estándar es que la energía oscura es una constante cosmológica. Por lo tanto, su densidad de energía no cambia. Entonces se vuelve más claro que en algún momento, la expansión cosmológica hace que la materia sea demasiado diluida para competir con la energía oscura, que es cuando la energía oscura comienza a dominar. Estuvo allí todo el tiempo, pero antes de eso, la materia era lo suficientemente densa como para ser dominante.