¿Realmente la expansión del universo se está acelerando? (o nunca hay que descartar otras hipótesis)


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La expansión acelerada del universo, aparentemente causada por la misteriosa energía oscura, puede deberse a una mala interpretación de la homogeneidad de la distribución de materia en el Universo, o así se afirma en el artículo de George Ellis, “Cosmology: Patchy solutions,” Nature 452, 158-161, 13 March 2008, que revisa varios artículos recientes sobre este tema. La energía oscura causa problemas más “gordos” que el problema que resuelve, la aparente aceleración de la expansión detectada en los estudios de supernovas tipo Ia utilizadas como candelas para medir las distancias en el universo lejano (a grandes corrimientos Doppler). ¿Puede explicarse esta expansión sin necesidad de nueva física, sea energía oscura, constante cosmológica no nula o la famosa quintaesencia (un tipo de anti-gravedad)? Estudios recientes han encontrado una explicación alternativa mucho más sencilla: la no homogeneidad de la distribución de materia en nuestro entorno cercano dentro del Universo puede ser la responsable de la aparente “segunda” inflación en la nos encontramos.

Las soluciones de las ecuaciones de Einstein para la gravedad a escala de todo el Universo tienen soluciones muy sencillas si se supone que la materia está distribuida de forma homogénea (de la misma forma en todas partes) e isótropa (de la misma forma mirando en todas direcciones). Esta hipótesis es consistente con las observaciones (claro, a gran escala, como en el fondo de microondas cuando quitamos el efecto de la vía láctea y los efectos de la velocidad de la Tierra, muy bien ilustrado aquí) pero no es una consecuencia de las ecuaciones sino el llamado Principio Cosmológico (también llamado de Copérnico): Las características del Universo cercano no son especiales de ninguna forma, sino típicas del resto del Universo en su totalidad.

El Principio Cosmológico es “razonable” pero no ha sido verificado experimentalmente. No es fácil. Este principio es consistente con las medidas de distancia más lejanas (gracias a las supernovas Ia) sólo si alguna forma de energía oscura existe. Sin embargo, investigaciones recientes han mostrado que si obviamos el Principio de Copérnico y consideramos que nuestra distribución de materia local (“cercana” a nosotros) es especial, entonces la energía oscura no es necesaria.
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La primera posibilidad es que inhomogeneidades locales en la distribución de materia requieren un proceso de promediado de las ecuaciones de Einstein a escala pequeña que conduce a una fuerza repulsiva (“backreaction” o retroreacción), un término que ha de ser añadido a las ecuaciones “suavizadas” que modelan el Universo a gran escala (véase, p.ej., Syksy Rasanen, “Evaluating backreaction with the peak model of structure formation,” ArXiv preprint, 31 Jan 2008). Sorprendentemente, los resultados de este término repulsivo son similares a los de la energía oscura.

Claro, estas inhomogeneidades locales también afectan a nuestras observaciones cosmológicas de fuentes lejanas, que sufren un proceso de lente gravitatoria (enfoque) que puede cambiar significativamente la luminosidad aparente de fuentes lejanas. Aunque los resultados dependen de la distribución exacta de materia en nuestro entorno local (algo no conocido con detalle) hay varias distribuciones compatibles con los resultados observados para supernovas Ia de gran corrimiento al rojo (gran z).

Investigadores como Teppo Mattsson, “Dark energy as a mirage,” ArXiv preprint, revised version 23 Dec 2007, han encontrado una interpretación “natural” de los efectos observados en la anisotropía del fondo de microondas, la nucelosíntesis de los elementos, el corrimiento hacia el rojo de las supernovas Ia lejanas y la expansión de Hubble, entre otros efectos, que son compatibles con cierto tipo de vacíos de materia cercanos y una distribución de materia en el Universo de un 90% de materia oscura y un 10% de materia (bariónica), nada de energía oscura, y un Universo de unos 14.8 mil millones de años. Es decir, si vivimos en una “burbuja casi vacía” entonces la energía oscura es un espejismo.

La misma idea, que estamos en un región del Universo con una densidad anormalmenet baja, en una burbuja “vacía” y por tanto rodeados del resto del Universo con “más” materia, ya había sido presentada en el artículo de revisión de la francesa Marie-Noëlle Célérier, “The Accelerated Expansion of the Universe Challenged by an Effect of the Inhomogeneities. A Review,” ArXiv preprint, 7 Jun 2007.

Por supuesto, estas ideas “no convencionales” que están en contra del stablishment en Cosmología han sido recibidas con gran excepticimo por la mayoría de cosmólogos en activo. Aún así, como se comenta en Stephon Alexander, Tirthabir Biswas, Alessio Notari, Deepak Vaid, “Local Void vs Dark Energy: Confrontation with WMAP and Type Ia Supernovae,” ArXiv preprint, 1 Mar 2008 , la verificación experimental de la existencia de estas inhomogeneidades locales, aunque es difícil, no es imposible y promete eliminar la “odiosa” energía oscura, cuyas propiedades físicas nos resultan extremadamente difíciles de “comprender” y “aceptar” (requieren términos de energía negativa, anti-gravitatorios, …).

Si fue una “desagradable” sorpresa la energía oscura hace 10 años, quizás pronto (el lanzamiento de Planck está previsto por la ESA para el 31 de octubre de 2008 ) descubramos una nueva sorpresa, pero esta vez más “agradable”, no estabámos tan equivocados en 1998 sobre el Universo como lo estamos ahora.

15 pensamientos en “¿Realmente la expansión del universo se está acelerando? (o nunca hay que descartar otras hipótesis)

  1. Hay tres afirmaciones que me parecen algo infundadas

    “El Principio Cosmológico es “razonable” pero no ha sido verificado experimentalmente”

    Yo diría que al contrario, el PC tiene una base observacional bastante robusta, empezando por el Fondo Cósmico de Microondas que es homogéneo a lo largo de todo el cielo con una precisión de unas pocas partes en 100,000.
    Más detalles en
    http://astronomia.net/cosmologia/el.htm

    “promete eliminar la “odiosa” energía oscura, cuyas propiedades físicas nos resultan extremadamente difíciles de “comprender” y “aceptar” (requieren términos de energía negativa, anti-gravitatorios, …).”

    Por el momento, la energía oscura es perfectamente compatible con una constante cosmológica. La constante cosmológica dentro de la Relatividad General es un término “natural”, pues hace a las ecuaciones de campo las más generales posibles. Otra cosa es que cuando intentas conectarla con la física de partículas su significado sea mucho más oscuro –y valga el símil–
    Más detalles en
    http://astronomia.net/cosmologia/lambda0.htm

    “Si fue una “desagradable” sorpresa la energía oscura hace 10 años,”

    Fue una sorpresa, pero no fue “desagradable” precisamente y en cierto modo no fue del todo inesperado. Desde hacía mucho tiempo se venía ya hablando de la necesidad de una constante cosmológica para acabar la falta de acuerdo entra la edad dinámica del universo y la edad de los objetos más antiguos.
    Tienes un review del tema del año 1992
    http://nedwww.ipac.caltech.edu/level5/Carroll/frames.html
    Un apunte de las evidencias hasta 1995
    http://arxiv.org/abs/astro-ph/9504003
    y la ya legendaria predicción de su valor de Weinberg usando argumentos antrópicos
    http://arxiv.org/abs/astro-ph/9701099

  2. Gracias por el comentario, muy bien trabajado.
    Tienes razón si nos centramos en la interpretación estándar de los resultados experimentales (los resultados del WMAP para los primeros 5 años se acaban de publicar, 7 de marzo, http://map.gsfc.nasa.gov/news/, y confirman aún mejor los modelos estándares). Sin embargo, debes recordar que para interpretar datos experimentales siempre se requiere un modelo y que los modelos siempre tienen parámetros libres que se ajustan a los datos, con lo que el ajuste suele ser bueno y conforme pasan los años, mejor… pero a veces teorías alternativas “no convencionales” requieren menos parámetros y también se ajustan muy bien a los datos… el principio de la navaja de Occam nos dice que no nos debemos conformar con un modelo porque, con algunos parámetros explique muchas cosas, sino que debemos seguir buscando nuevos modelos que las expliquen pero con menos parámetros libres.
    Además, me gustaría recordar el GRAN Problema de la Constante Cosmológica: el valor “cuántico” esperado es unos 120 órdenes de magnitud mayor que el valor “observado”. Nadie sabe el porqué. Que el 72% del Universo (WMAP 7 marzo 2008) sea energía oscura debida a una magnitud que tiene un valor 120 órdenes de magnitud más pequeño que el esperado teóricamente, cuando menos, “pica detrás de la oreja”.
    Las ideas presentadas en mi entrada están fuera de la corriente establecida, pero a mí me gustan las ideas fuera de corriente. Además, si Ellis, coautor con Hawking de “The large scale structure of space-times”, CUP 1973, libro con el que he disfrutado años há, no descarta estas ideas fuera de corriente, yo he querido hacerme eco de ello… pero como dice la entrada “nunca hay que descartar otras hipótesis”.

  3. “pero a veces teorías alternativas “no convencionales” requieren menos parámetros y también se ajustan muy bien a los datos…”

    El problema es que no hay ahora mismo ningún modelo alternativo que cumpla esa condición.

    “el principio de la navaja de Occam nos dice que no nos debemos conformar con un modelo porque, con algunos parámetros explique muchas cosas, sino que debemos seguir buscando nuevos modelos que las expliquen pero con menos parámetros libres”.

    No exactamente. La navaja de Occam se puede utilizar en determinadas condiciones para decidirse entre dos modelos con distinto número de parámetros libres por el que tiene menor número de parámetros libres (el ejemplo clásico es el modelo Ptolemaico y el Copernicano). Pero no implica que dado un modelo con un determinado número de parámetros libres, tenga que existir uno con menor número de parámetros que explique todos los hechos.

    El problema de la constante cosmológica que mencionas proviene del hecho de su interpretación cuántica como estado fundamental de energía del vacío. Pero si Relatividad General y Mecánica Cuántica son dos teorías que dan dos visiones de las cosas bastante diferentes, no deberíamos esperar en primer lugar que esa interpretación nos de un resultado coherente a la primera. Y pica detrás de la oreja pero no necesariamente apunta en direcciones muy distintas a cosas que ha apuntado la gente. En primer lugar, desde hace mucho tiempo se sabe que con la supersimetría la densidad de energía de vacío debería ser cero. Igual que ha ocurrido con las demás simetrías, no es descabellado pensar que en algún momento del universo se haya producido una rotura espontánea de la supersimetría dando un valor aleatorio pero no muy lejano de cero. A partir de ahí puedes tomar dos caminos. Pensar que el valor que ha tomado en nuestro universo es el que es y punto (hemos ganado una especie de gran lotería cósmica) como con los demás valores de los parámetros cosmológicos o las constantes físicas. O puedes pensar que existe una distribución de universos con distintos valores de esos parámetros y que vivimos en alguno de los habitables. Esto último produce un valor razonablemente cercano al observado.

    El problema con la alternativa que mencionas es que en primer lugar no toma la constante cosmológica suficientemente en serio a pesar de ser un parámetro que tiene sentido dentro de la física fundamental. Y en segundo lugar introducir una hipótesis ad hoc que además puede ser objeto de parametrizar a gusto, además utilizando una anomalía local. Utilizando la navaja de Occam que nombrabas resulta poco plausible, aunque con ello no pretendo decir que no sea interesante ni digno de atención.

  4. Pedro J., tener, tienes razón.

    Ahora bien, el “sueño” de una teoría final “pide a gritos” menos parámetros… no más. Por muy “natural” que sea la constante cosmológica (que no lo es, ya que extensiones “naturales” de las ecuacioens de la teoría general de la gravitación de Einstein hay “muchísimas”, fíjate la cantidad de años que perdió Einstein “probando unas y otras”, pero todas requieren nuevos parámetros…) y por “mucho sentido que tenga”, la esperanza de mucha gente es que cuantos menos parámetros tenga la TOE final, mejor que mejor. Si podemos irnos quitando uno, … pues mejor que mejor…

    Por cierto, ¿conoces la Red Cósmica “Cosmic Web”? Se sabe que existe. El universo local no es tan homogéneo, aunque las no homogeneidades no tienen la escala adecuada para los resultados de la entrada… Pero no está completamente caracterizada… las medidas con lentes gravitatorias débiles todavía son bastante imprecisas… quizás por ahí haya alguna sorpresa…

    En resumen, gracias por tus comentarios, ayudan bastante a los lectores de esta bitácora.

  5. Respecto a las ecuaciones de Einstein con constante cosmológica son las más generales que se pueden escribir que cumplen los mismos criterios de las ecuaciones originales:
    1. Son covariantes, es decir, su forma es independiente del sistema de referencia elegido (con o sin aceleración) y de las coordenadas seleccionadas.
    2. Se reducen a la teoría newtoniana de la gravedad cuando los campos gravitatorios son débiles y las velocidades implicadas bajas en comparación con la velocidad de la luz.
    3. Sólo introducen derivadas de orden 0, 1 y 2 de la métrica. (esto es algo más técnico, pero sólo significa que si reduces el número de derivadas la teoría es demasiado simple para explicar los hechos y que introducir más derivadas implica introducir más parámetros libres de forma innecesaria)
    De hecho hay algo más bonito aún. La teoria gravitatoria newtoniana más general tiene una constante cosmológica si prescindes de imponer la condición de que la solución interior a una distribución de materia no dependa de la distribución externa de masa al punto considerado.

    Respecto a la “Cosmic Web”, supongo que te refieres a la distribución a gran escala de los cumulos y supercúmulos de galaxias que forman una especie de telarañas a lo largo de la superficie de esferas esencialmente vacía que se ven en los surveys y en las simulaciones 3D de la distribución de materia.

    Bueno, la idea esencial es medir la diferencia de densidades en puntos distintos y promediar a diferentes escalas. A medida que haces eso a mayores escalas ves perfectamente que las variaciones medias tienden a desaparecer a partir de escalas de unos pocos centenares de Mpc –como ilustran las referencias que enlazaba en mi primera respuesta–. Hubo un debate muy potente e interesante hace unos años con respecto a los defensores de una estructura fractal de galaxias con características a todas las escalas. Lo interesante fue la introducción de técnicas propias de multifractales, pero la verdad es que no consiguieron convencer a nadie de que la homogeneidad a gran escala no sea una buena aproximación a la realidad.

  6. Gracias por el comentario.
    0) No es cierto que las ecuaciones de Einstein con constante cosmológica sean las “más generales” que cumplen (1) covarianza, (2) con límite newtoniano, y (3) con derivadas hasta segundo orden.
    1) Hay infinitas posibilidades de generalizar las ecuaciones de Einstein de forma covariante (por ejemplo, en gravedad cuántica todo el mundo parte de una versión clásica en la que se supone que la acción del campo tiene términos no lineales, al menos cuadráticos). ¿Son la versión covariante “más simples”? Depedende de lo que se entienda por simple… pero por ahí sí estoy de acuerdo.
    2) NO SE HA DEMOSTRADO que las ecuacioens de Einstein se reduzcan a las ecuacinoes newtonianas. Hay un artículo muy bonito de Isham sobre el tema (“el folclore en relatividad” o algo así) de mediados de los 80s (lo leí hace años pero no recuerdo el título exacto y no lo he encontrado por la web) en el que deja muy claro esto. Si linealizas la métrica, supones campos débiles, y aplicas ciertas aproximaciones técnicas obtienes una “física newtoniana” en un espacio minkowskiano subyacente, pero, dada una “física newtoniana” (distribución de masas) ¿se puede encontrar la “versión” einsteniana que se reduzca a ésta? ¿existe una tal solución de las ecuaciones de einstein? Que yo sepa nadie lo ha demostrado aún y no creo que se vaya a demostrar en los próximos años (una charla invitada en la ICM 2006 de Madrid de una experta indicó este hecho).
    3) La acción relativista, basada en el escalar de curvatura, debería tener primeras derivadas para que las ecuaciones de Euler-Lagrange sólo tuvieran segundas derivadas, sin embargo, R tiene segundas derivadas. Las terceras derivadas en las ecuaciones resultantes se eliminan mediante la selección de un gauge adecuado (mucha gente lo olvida y habla de ecuaciones de Einstein tal cual obviando la necesidad de dicho gauge, que debería estar explícito “al ladito” de las ecuas.).

    NO puedo estar de acuerdo en que “Ecuaciones de einstein con constante cosmológica = (1)+(2)+(3)”. Matemáticamente no es así. Es parte del folclore de la relatividad. Quizás es razonable, intuitivo, bello, etc. pero no es “verdad matemática”.

  7. Perdónenme la erejía:
    No hay energías ni materias oscuras.
    El universo se expande aceleradamente porque crece.
    El total materia-energía se reproduce.
    Por querer sostener eternamente un principio, se le está haciendo daño al avance de la ciencia.

  8. Martín, no es ninguna “herejía.” En varias teorías de cierta seriedad (como la teoría cuántica de bucles) el espacio-tiemp está literalmente “creciendo” y por ello parece expandirse. No hay energía oscura en dichas teorías. En cuanto a la materia oscura, la mayoría de estas teorías supone que sí existe. El avance de la ciencia requiere teorías confrontadas y experimento. No hay herejías, sólo método científico y duda metódica.

  9. No recuerdo haber leído tu última respuesta #6 en su momento emulenews. Interesante. A ver si me vas animando a pensar en estas cosas después de muchos años. Saludos desde el futuro ;-)

  10. la aceleracion del espacio no se debe a la llamada energia oscura. Como puedo dar a conocer mi teoria y que se me reconozca como el creador de dicha teoria mia.

  11. Hombre, supongo que la materia bariónica influye en la aceleración/expansión del universo: estrellas, átomos, galaxias y la parte material de los agujeros negros contribuyen a dicha expansión, ninguno lo niega. Ahora bien, bajo el suelo de la materia ordinaria algo se mueve, y ese algo parece ser la energía oscura. Esto lo vio con claridad Einstein, para luego espantarse por el fenómeno. El hecho de que el universo crezca/expanda/acelere no significa necesariamente que sea abierto, porque ¿abierto a qué? Puede abrirse, como me temo, a su colapso. Pero ese colapso se entiende en un espacio euclídeo de tres dimensiones, no debe concluirse que la extinción se aplica a un espacio n-dimensional. Cuando hablamos del espacio debemos acotar las dimensiones del mismo, porque si no lo hacemos acabaremos confundidos.

  12. Asumiendo una entropia infinta el universo se expandira hata que se encuentre con otro universo y se genera mas ciclos discretos. Naturalme aqui tiene mucho que ver la energía oscura.

  13. Si por entropía infinita se entiende la generación continua de trabajo físico y químico, de calor y desgaste, el universo terminará apagándose. En mi opinión, se trata de investigar si esos ciclos discretos acontecen en dimensiones extra de nuestro universo tridimensional. Estas dimensiones funcionarían como “refrigerantes” (el ejemplo es algo burdo), y así el universo tridimensional se libraría de su propia entropía.

  14. que loco!, me aparecio éste post en los feeds como si fuera “nuevo” y es del 2008…
    Una excelente oportunidad para preguntar sobre algo que toca éste articulo:
    ¿Existe una teoria que formule que los agujeros negros van a ir chupando toda la materia del universo, casda vez mas? hasta que toda la materia esté en el ultimo agujero negro que se comio a todos los demas? y al momento de entrar la ultima particula de materia que queda fuera al ajugero negro: explota todo, se produce una “singularidad”….y ya sabemos el resto…una y otra vez…

    existe? en que estado esta? que puedo leer al respecto que refute esa teoria?

    graciaS!

    • Facu, la razón debe ser que he cambiado la etiqueta “Satélite Planck” por “Misión Planck” en varias entradas. Por lo que veo el nuevo CSS ha reenviado dicho post al Feed (el anterior CSS no hacía estas cosas o nunca nadie me lo hizo notar).

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