Al mirar nuestro universo hoy, es muy fácil estar encantado con lo que ves. Las estrellas de nuestro cielo nocturno son solo una pequeña fracción, unos pocos miles de los cientos de miles de millones de lo que está presente en nuestra Vía Láctea. La Vía Láctea en sí es solo uno de los billones de galaxias presentes en el universo observable, que se extiende en todas las direcciones durante unos 46 mil millones de años luz. Y todo comenzó hace unos 13.800 millones de años a partir de un estado caliente, denso, de rápida expansión conocido como Big Bang.
Es desde el Big Bang que tenemos la oportunidad de describir nuestro Universo como lleno de materia y radiación y de conectar las conocidas leyes de la física que explican la forma moderna del cosmos. Pero el universo continúa expandiéndose. Aparecen nuevas estrellas, el espacio evoluciona. ¿Cómo va a terminar? Preguntémosle a la ciencia.
¿Cuál es el fin del universo?
norte
Durante mucho tiempo, los científicos que han estudiado la estructura y evolución del universo han considerado tres posibilidades basadas en la física simple de la relatividad general y el contexto de la expansión del universo. Por un lado, la gravedad está uniendo todo activamente; es una fuerza atractiva controlada por la materia y la energía en todas sus formas que están presentes en el universo. Por otro lado, hay una tasa de expansión inicial que lo separa todo.
El Big Bang fue un disparo, tras el cual comenzó la carrera más grande de todos los tiempos: entre la gravedad y la expansión del universo. ¿Quién ganará al final? La respuesta a esta pregunta determinará el destino de nuestro mundo.
Pensamos que el Universo tenía estas opciones:
Video promocional:
- El Universo colapsará en la Gran Compresión. La expansión comenzará rápidamente y se romperán grandes cantidades de materia y radiación. Si hay materia y energía más que suficiente, el universo se expandirá a un cierto tamaño máximo, la expansión revertirá la contracción y el universo colapsará nuevamente.
- El universo se expandirá para siempre y conducirá a la Gran Helada. Todo comenzará igual que el anterior, pero esta vez la cantidad de materia y energía no será suficiente para resistir la expansión. El universo se expandirá para siempre a medida que la tasa de expansión continúe cayendo, pero nunca llegue a cero.
- La expansión del Universo tiende asintóticamente a cero. Imagine una situación límite entre los dos ejemplos anteriores. Un protón más y colapsamos; uno menos, nos expandimos infinitamente. En este caso crítico, el Universo se está expandiendo para siempre, pero a la menor velocidad posible.
Para saber qué opción es la correcta, solo tuvimos que medir qué tan rápido se está expandiendo el universo y cómo cambió la tasa de expansión con el tiempo. El resto es cuestión de física.
Este ha sido uno de los mayores desafíos de la astrofísica actual. Mide la velocidad a la que se expandía el universo y descubre cómo está cambiando la estructura del espacio en la actualidad. Mide cómo ha cambiado la tasa de expansión con el tiempo y descubre cómo ha cambiado la estructura del espacio en el pasado.
Combine estos dos datos y cómo ha cambiado la tasa de expansión y qué fue lo que le permitirá determinar de qué está hecho el universo y en qué proporciones.
Hasta donde sabemos, basándonos en estas mediciones, determinamos que el Universo consta de 0.01% de radiación, 0.1% de neutrinos, 4.9% de materia ordinaria, 27% de materia oscura, 68% de energía oscura. Esta búsqueda, que para algunos comenzó en la década de 1920, recibió una respuesta inesperada a fines de la década de 1990.
Entonces, si la energía oscura domina la expansión del universo, ¿qué significa esto para nuestro destino? Todo depende de cómo, o si, evoluciona la energía oscura con el tiempo. Aquí hay cinco opciones.
La energía oscura es una constante cosmológica dominante en expansión. Este es el valor predeterminado y tiene en cuenta nuestros mejores datos. Mientras que la materia se vuelve menos densa a medida que el universo se expande, se diluye a medida que el volumen se expande, la energía oscura representa una cantidad de energía distinta de cero inherente a la estructura del espacio mismo. A medida que el universo se expande, la densidad de la energía oscura permanece constante, lo que hace que la expansión sea siempre positiva.
norte
Esto da como resultado un universo en expansión exponencial y eventualmente impulsará cualquier cosa que no sea parte de nuestro grupo local. Ya el 97% del Universo visible se vuelve inaccesible en tales condiciones.
La energía oscura es dinámica y se vuelve más poderosa con el tiempo. La energía oscura parece ser una nueva forma de energía inherente al espacio mismo, lo que implica que tiene una densidad de energía constante. Pero también puede cambiar con el tiempo. Una de las posibles formas de cambiar es que aumenta gradualmente, lo que conducirá a una aceleración en la tasa de expansión del universo.
Los objetos remotos no solo se alejarán de nosotros, sino que lo harán cada vez más rápido. Peor aún, los objetos que ahora están ligados gravitacionalmente, como cúmulos de galaxias, galaxias individuales, sistemas solares e incluso átomos, algún día se desatarán a medida que la energía oscura se endurezca. En los últimos momentos de la existencia del universo, las partículas subatómicas y el tejido del espacio-tiempo mismo se romperán. Este destino, el Big Rip, es nuestra segunda opción.
La energía oscura es dinámica y se debilita con el tiempo. ¿De qué otra manera puede cambiar la energía oscura? En lugar de fortalecer, puede debilitarse. Por supuesto, la tasa de expansión es consistente con una cantidad constante de energía que pertenece al espacio mismo, pero esta densidad de energía también puede disminuir.
Si se debilita a cero, todo llegará a una de las posibilidades descritas anteriormente: La Gran Helada. El universo se expandirá, pero sin suficiente materia y otras formas de energía para ayudarlo a colapsar nuevamente.
Si la descomposición se vuelve negativa, podría conducir a otra posibilidad: el Big Shrink. El universo se llenará de energía inherente al espacio, que cambiará repentinamente de signo y hará que el espacio se contraiga. Esta opción también es posible.
La energía oscura se transformará en otra forma de energía que rejuvenece el universo. Si la energía oscura no se desintegra, sino que permanece constante o incluso se intensifica, surge otra posibilidad. Esta energía inherente a la estructura del espacio puede no permanecer siempre de esta forma. En cambio, puede convertirse en materia y radiación, similar a lo que era cuando terminó la inflación cósmica y comenzó el Big Bang.
Si la energía oscura permanece constante hasta este punto, creará una versión muy, muy fría y difusa del Big Bang incandescente, en el que solo los neutrinos y fotones pueden crearse por sí mismos. Pero si la intensidad de la energía oscura aumenta, podría conducir a un estado similar a la inflación, seguido de un nuevo Big Bang verdaderamente candente. Esta es la forma más fácil de rejuvenecer el Universo con los parámetros dados.
La energía oscura está asociada con la energía cero del vacío cuántico y se descompondrá, destruyendo nuestro universo. Ésta es la oportunidad más destructiva de todas. ¿Qué pasa si la energía oscura no es la verdadera cantidad de espacio vacío en las configuraciones de energía más bajas, pero es el resultado de simetrías tempranas en el universo, cuando estaban en una configuración mínima falsa?
Si es así, debe haber una manera de crear un túnel cuántico hacia un estado de energía más baja cambiando las leyes de la física y eliminando todos los estados ligados (es decir, partículas) de los campos cuánticos en la actualidad. Si el vacío cuántico es inestable en este sentido, entonces dondequiera que ocurra esta desintegración, el resultado será la destrucción de todo en el universo a través de una burbuja que se propaga a la velocidad de la luz. Si tal señal nos llega, también terminaremos.
Si bien no sabemos cuál de estas posibilidades será válida para nuestro Universo, los datos simplemente votan frenéticamente a favor de la primera opción: la energía oscura es de hecho una constante. En este momento, nuestras observaciones de cómo ha evolucionado el universo, especialmente gracias a la radiación cósmica de fondo de microondas y la estructura a gran escala del universo, imponen límites severos sobre cuánto margen de maniobra para que cambie la energía oscura.
Ilya Khel
