"Conclusiones que llegamos a aprender en nuestra experiencia PIIISA 2014"

·       En cosmología todavía no se tiene una definición clara de que es la energía oscura.

·       Sabemos que es la responsable de que el Universo que conocemos evolucione en expansión.

·       Sabemos que el Universo se está acelerando por la separación de las distancias entre Galaxias, y el módulo de distancia de las Supernovas.

Para saber el tipo de Universo se han realizado unas observaciones, obteniéndose unas valores que mediante el programa Python con la fórmula:

·      Se ha determinado que el mejor modelo de Universo es el primero de la siguiente tabla:

El cual está compuesto por un 70% de energía oscura y un 30% de materia oscura (no emite luz).

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Resultados del premio nobel de física Adam Riess (2011)

·         Los estadounidenses Saul Perlmutter, Brian Schmidt y Adam Riess el objetivo que perseguían estos científicos, aunque ambicioso, no era otro que el de medir la desaceleración del universo en el que vivimos, utilizando observaciones de supernovas del universo lejano.

·         El descubrimiento de que vivimos en un universo que se acelera tiene enormes implicaciones. Incluso antes del descubrimiento de la ley de Hubble, que nos dice que las galaxias se separan unas de otras a velocidades proporcionales a la distancia que las separa, ya se había sugerido que quizá viviéramos en un universo abierto (un universo que se expande aceleradamente), o bien cerrado (un universo en el que la atracción gravitatoria vence al Big Bang inicial y finalmente colapsa), o quizá plano (donde la expansión del universo disminuiría con el paso del tiempo). Einstein, en sus famosas ecuaciones, incluyó una constante cosmológica, conocida también como energía oscura, para evitar la solución de un universo en expansión, ya que era una posibilidad que no le gustaba. Mucho más tarde, Einstein consideró la inclusión de dicha constante uno de sus mayores errores, y la quitó de sus ecuaciones.

·         Los resultados obtenidos por Perlmutter, Schmidt y Riess constituyen la confirmación de que la constante cosmológica en las ecuaciones de Einstein no fue un error, sino que resultó una solución brillante. Gracias a los laureados con el premio Nobel de Física, sabemos que vivimos en un universo dominado por energía oscura. Si hay una constante cosmológica, el universo está destinado a acelerarse, incluso si el universo en que vivimos es plano. Esta aceleración del universo sería debida a la energía oscura, que en los inicios del universo constituiría una pequeña parte de toda la energía. A medida que la materia se fue diluyendo con la expansión del universo, la energía oscura fue dominando y actualmente constituye aproximadamente el 70% de toda la energía presente en el universo. Del 30% restante, un 25% se encuentra en forma de “materia oscura” (que no emite luz) y solo un 5% es “materia bariónica”, la materia de la que están hechos los planetas, las estrellas y nosotros mismos.

·         Este descubrimiento es un hito en la historia de la cosmología moderna lo cual fueron bien recompensados con el Nobel de Física en el año 2011…

(gráfica en el que se representa los resultados obtenidos del Nobel)

(ganadores del premio nobel de Física 2011)

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"Big Rip"

·         El Gran Desgarramiento o Teoría de la expansión eterna, llamado en inglés Big Rip, es una hipótesis cosmológica sobre el destino final del Universo.

·         El cumplimiento de esta hipótesis depende de la cantidad de energía oscura en el Universo. Si el Universo contiene suficiente energía oscura, podría acabar en un desgarramiento de toda la materia. El valor clave es la razón entre la presión de la energía oscura y su densidad energética (w). Si su valor es tal que w < -1 el Universo acabaría por ser desgarrado. Primero, las galaxias se separarían entre sí, a 1000 millones de años del final. Luego la gravedad sería demasiado débil para mantener integrada cada galaxia, y 60 millones de años antes del fin, sólo habría estrellas aisladas. Aproximadamente tres meses antes del fin, los sistemas solares perderían su cohesión gravitatoria. En los últimos minutos, se desbaratarían estrellas y planetas. El Universo quedaría en átomos, pero no se habría acabado todo. Los átomos serían destruidos en una fracción de segundo antes del fin del tiempo y sólo quedaría radiación. El Universo sería como el Big Bang pero casi infinitamente menos denso

(big rip gráfico)

(representación de como el Universo ha ido expandiéndose hasta nuestros días)

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Ley de Hubble

La ley de Hubble, obtenida después de una década de observaciones, es una ley de cosmología física que establece que el corrimiento al rojo de una galaxia es proporcional a la distancia a la que está.  Es considerada como la primera evidencia observacional del paradigma de la expansión del universo y actualmente sirve como una de las piezas más citadas como prueba de soporte del Big Bang. Según la Ley de Hubble, una medida de la inercia de la expansión del universo viene dada por la Constante de Hubble. A partir de esta relación observacional se puede inferir que las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad proporcional a su distancia, relación más general que se conoce como relación velocidad-distancia y que a veces es confundida con la ley de Hubble. Tampoco hay que malinterpretar la relación velocidad-distancia . No consiste en que cuanto más lejos esté una galaxia más rápido se aleja de nosotros. Según esto, al alejarse la galaxia ésta iría aumentando de velocidad pues está más lejos que antes. No es así. La relación velocidad-distancia, derivada de La Ley de Hubble, dice que cuanto más lejos está ahora una galaxia más rápido se aleja ahora de nosotros

La constante de Hubble es la constante de proporcionalidad que aparece en la forma matemática de la ley de Hubble. Si bien en la formulación original, dicho parámetro aparecía como un número de valor fijo, los modelos cosmológicos relativistas en los que se basa el Big Bang sugerían que el parámetro de Hubble no era realmente una constante sino un parámetro que variaba lentamente con el tiempo, por eso modernamente muchos autores se refieren a la "constante de Hubble" más propiamente como elparámetro de Hubble.

Mediante las ecuaciones de la teoría de la relatividad general especializadas a los modelos de expansión métrica del espacio con métrica de métrica FLRW se puede probar que la edad del universo está relacionada con la constante de Hubble y también el radio del universo observable

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Expansión acelerada del Universo

·         La «expansión acelerada del universo» o «universo en expansión acelerada» son términos con los que se designa el hecho descubierto en los años 1990 de que el universo se expande a una velocidad cada vez mayor. Esto hecho fue un descubrimiento no esperado, ya que hasta ese descubrimiento se pensaba que, si bien el universo ciertamente está en expansión, su ritmo iba decreciendo por efecto de la atracción mutua entre galaxias distantes. A finales de los años 1990 unas observaciones de supernovas tipo A (clase I a) arrojaron el resultado inesperado de que la expansión del Universo parece ir acelerándose.

(Composición del universo, por elementos)

·         Las supernovas, son originadas por la explosión de estrellas, lo cual genera una gran cantidad de energía y estas pueden ser observadas a grandes distancias

Podemos percibir la distancia de las supernovas por el flujo de luz que percibimos con un telescopio y su luminosidad aparente.

La diferencia entre la magnitud aparente (m), (la luminosidad aparente de esa supernova) con la magnitud absoluta (M), (la luminosidad que nos llega mediante la observación) obtenemos el módulo de distancia (μ), resultado de la diferencia de la (m)-(M),con ello, se puede obtener la distancia del objeto observado(D).En conclusión determinando las distancias de supernovas podemos verificar que el Universo está en expansión.

(Gráfica del flujo observado en días)

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La energía oscura se oculta tras campos fantasmas

Entre las muchas teorías que tratan de explicar la naturaleza de la energía oscura se encuentran la quintaesencia y los campos fantasmas, dos hipótesis formuladas a partir de los datos de satélites como Planck y WMAP. Ahora investigadores de Barcelona y Atenas plantean que ambas posibilidades son solo un espejismo en las observaciones y es el vacío cuántico el que podría estar detrás de esa energía que mueve nuestro universo.

Los cosmólogos consideran que unas tres cuartas partes del universo están constituidas por una misteriosa energía oscura que explicaría su expansión acelerada. La verdad es que no saben lo que puede ser, así que plantean posibles soluciones.
Una es que exista la quintaesencia, un agente invisible gravitatorio que en lugar de atraer, repele y acelera la expansión del cosmos. Desde el mundo clásico hasta la Edad Media, ese término hacía referencia al éter o quinto elemento de la naturaleza, junto a la  tierra, el agua, el fuego y el aire.

El estudio prueba que la ecuación de estado de la energía oscura puede simular campos de quintaesencia o fantasmas sin serlo

Otra posibilidad es la presencia de una energía o campo fantasma, cuya densidad aumenta con el tiempo provocando una aceleración cósmica exponencial. Esta llegaría a ser tan alta que podría romper las fuerzas nucleares en los átomos y poner fin al universo en unos 20.000 millones de años, en el llamado Gran Desgarro o Big Rip.
Los datos experimentales que sirven de base para estas dos hipótesis proceden de satélites como Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) y Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) de la NASA. Las observaciones de las dos sondas son esenciales para resolver la denominada ecuación de estado de la energía oscura, una fórmula matemática que la caracteriza, igual que los estados sólido, líquido y gaseoso tienen la suya.
Pero ahora investigadores de la Universidad de Barcelona (UB) y la Academia de Atenas (Grecia) han utilizado los mismos datos satelitales para demostrar que el comportamiento de la energía oscura no necesita recurrir ni a la quintaesencia ni a la energía fantasma para ser explicado. Los detalles se publican en la revista Montly Notices of the Royal Astronomical Society.
"Nuestro estudio teórico demuestra que la ecuación de estado de la energía oscura puede simular un campo de quintaesencia, o incluso un campo fantasma, sin serlo en realidad; así que cuando observamos estos efectos a partir de las observaciones de WMAP, Planck y otros instrumentos, lo que estamos viendo es un espejismo", dice a Sinc Joan Solà, uno de los autores.

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Naturaleza de la energía oscura

La naturaleza exacta de la energía oscura es materia de debate. Se sabe que es muy homogénea, no muy densa, pero no se conoce su interacción con ninguna de las fuerzas fundamentales más que con la gravedad. Como no es muy densa, unos 10⁻²⁹ g/cm³, es difícil realizar experimentos para detectarla. La energía oscura tiene una gran influencia en el Universo, pues es el 70% de toda la energía y debido a que ocupa uniformemente el espacio interestelar. Los dos modelos principales son la quintaesencia y la constante cosmológica.

Presión negativa

La energía oscura causa la expansión del universo pues ejerce una presión negativa. Una sustancia tiene una presión positiva cuando empuja la pared del recipiente que lo contiene; este es el caso de los fluidos ordinarios (líquidos y gases de materia ordinaria). Una presión negativa tiene el efecto contrario, y un recipiente lleno de una substancia de presión negativa provocaría una presión hacia dentro del contenedor. De acuerdo con la Relatividad General, la presión de una substancia contribuye a su atracción gravitacional sobre otras cosas igual que hace su masa, de acuerdo con la ecuación de campo de Einstein:

Si la substancia es de presión negativa entonces su efecto es una repulsión gravitacional. Si el efecto gravitacional repulsivo de la presión negativa de la energía oscura es mayor que la atracción gravitacional causada por la propia energía, resulta una expansión del tipo que se ha observado. Por esa razón, se ha postulado que la expansión acelerada observada podría ser el efecto de presión negativa de una substancia exótica conocida como energía oscura. Otra posibilidad para explicar la expansión es postular una ecuación de campo con constante cosmológica positiva:

Donde ahora el tensor sería la parte asociada a materia con presión positiva. Para resolver la contradicción de que el empuje cause atracción o la contracción cause repulsión se considera que:

• El empuje de la presión positiva y el empuje de la presión negativa son fuerzas no gravitacionales que solamente mueven substancias en torno a su espacio interior sin cambiar el espacio en sí.
• Sin embargo, la atracción gravitacional (o repulsión) que causan opera sobre el propio espacio, disminuyendo (o incrementando) la cantidad de espacio entre las cosas. Esto es lo que determina el tamaño del Universo.
• No hay necesidad de que estos dos efectos actúen en la misma dirección. De hecho, actúan en direcciones opuestas.

Constante cosmológica

La explicación más simple para la energía oscura es que simplemente es el "coste de tener espacio"; es decir, un volumen de espacio tiene alguna energía fundamental intrínseca. Esto es la constante cosmológica, algunas veces llamada Lambda (de ahí el modelo Lambda-CDM) por la letra griega , el símbolo utilizado matemáticamente para representar esta cantidad. Como la energía y la masa están relacionadas por la ecuación , la teoría de la relatividad general predice que tendrá un efecto gravitacional. Algunas veces es llamada energía del vacío porque su densidad de energía es la misma que la del vacío. De hecho, muchas teorías de la física de partículas predicen fluctuaciones del vacío que darían al vacío exactamente este tipo de energía. Los cosmólogos estiman que la constante cosmológica es del orden de 10⁻²⁹g/cm³ o unos 10⁻¹²⁰ en unidades de Planck.
La constante cosmológica tiene una presión negativa igual a su densidad de energía, y así causa que la expansión del Universo se acelere. La razón por la que la constante cosmológica tiene una presión negativa se puede obtener a partir de la termodinámica clásica. La energía tiene que perderse desde dentro de un contenedor que se ocupe del contenedor. Un cambio en el volumen necesita el mismo trabajo que para un cambio de energía , donde es la presión. Pero la suma de energía en una caja de energía de vacío realmente se incremente cuando el volumen crece ( es positivo), porque la energía es igual a , donde (rho) es la densidad de energía de la constante cosmológica. Por tanto, es negativa y, de hecho, , significando que la ecuación de estado tiene la forma: , sin variación temporal.
Un gran problema pendiente es que muchas teorías cuánticas de campos predicen una gran constante cosmológica a partir de la energía del vacío cuántico, superior a 120 órdenes de magnitud. Esto casi se necesitaría cancelar, pero no exactamente, por un término igualmente grande de signo opuesto. Algunas teorías supersimétricas necesitan una constante cosmológica que sea exactamente cero, lo que no ayuda. El consenso científico actual cuenta con la extrapolación de pruebas empíricas donde son relevantes las predicciones y el ajuste fino de las teorías hasta que se encuentre una solución más elegante. Técnicamente, esto se suma a las teorías de comprobación contra observaciones macroscópicas. Lamentablemente, como el margen de error conocido en la constante predice el destino final del Universo más que su estado actual, todavía continúan sin conocerse muchas preguntas "más profundas".
Otro problema aparece con la inclusión de la constante cosmológica en el modelo estándar que es la aparición de soluciones con regiones de discontinuidades con una baja densidad de materia. La discontinuidad también afecta al signo pasado de la energía del vacío, cambiando la actual presión negativa a presión atractiva, de la misma forma que se mira hacia atrás, hacia el Universo primigenio. Este hallazgo debería ser considerado como una deficiencia del modelo estándar, pero sólo cuando se incluye un término de vacío.
A pesar de sus problemas, la constante cosmológica es en muchos aspectos la solución más económica al problema de la aceleración de la expansión del Universo. Un número explica satisfactoriamente una multitud de observaciones. Así, el modelo estándar actual de cosmología, el modelo Lambda-CDM, incluye la constante cosmológica como una característica esencial.

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