Una nueva generación asume la constante cosmológica

Tomado de la edición de marzo de 2021 de Physics World. Los miembros del Instituto de Física pueden disfrutar del número completo a través de la aplicación Physics World.

El problema de larga data de la constante cosmológica, descrita tanto como "la peor predicción en la historia de la física" y por Einstein como su "mayor error", está siendo abordado con renovado vigor por los cosmólogos de hoy. Rob Lea investiga

La constante cosmológica ha sido una espina en el costado de los físicos durante décadas. Aunque su propósito en la cosmología moderna difiere de su función original, la constante, comúnmente representada por ?, todavía presenta un desafío para los modelos diseñados para explicar la expansión del universo.

En pocas palabras, ? describe la densidad de energía del espacio vacío. Uno de los principales problemas surge del hecho de que el valor teórico de ?, obtenido a través de la teoría cuántica de campos (QFT), no está ni cerca del valor obtenido del estudio de las supernovas de tipo Ia y la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB); de hecho, diverge. por tanto como 10 121 . Por lo tanto, no sorprende que los cosmólogos estén ansiosos por abordar esta disparidad.

Más de lo que parece El Dark Energy Survey utiliza el telescopio Victor M Blanco en Chile para investigar la estructura a gran escala del universo. (Cortesía: Colaboración DES)

“El problema de la constante cosmológica, de una forma u otra, es un rompecabezas centenario. Es uno de los mayores problemas de la física moderna”, dice el físico teórico Lucas Lombriser de la Universidad de Ginebra (UNIGE), Suiza. “Además, la constante cosmológica es el componente más dominante en nuestro universo. Constituye el 70% del presupuesto energético actual. ¿Cómo podría uno no querer descubrir qué es realmente?

De hecho, con una nueva generación de cosmólogos ahora en escena, hay algunas ideas bastante radicales y revisiones de teorías más antiguas. Pero, ¿puede el campo aceptar estas ideas revolucionarias, o ? se ha convertido en una carga cómodamente familiar?

Todavía loco después de todos estos años

La constante cosmológica fue introducida por primera vez en los modelos del universo por Albert Einstein en 1917. Para sorpresa del propio físico, su teoría general de la relatividad (GR) parecía sugerir que el universo se está contrayendo, gracias a los efectos de la gravedad. El consenso en ese momento era que el universo es estático y, a pesar de que ya había revolucionado varias ideas arraigadas, Einstein no estaba dispuesto a desafiar este paradigma en particular. Este deseo de preservar la estabilidad del universo llevó a Einstein a hacer una adición a las ecuaciones de GR. Más tarde, describiría infamemente esto como su "mayor error".

“Cuando Einstein estaba aplicando GR a la cosmología, se dio cuenta de que podía agregar una constante a sus ecuaciones y seguirían siendo válidas”, explica Peter Garnavich, cosmólogo de la Universidad de Notre Dame, Francia. “Esta 'constante cosmológica' podría verse de dos formas equivalentes: como una curvatura del espacio-tiempo que era simplemente un aspecto natural del universo; o como una densidad de energía fija en todo el universo”.

Por lo tanto, el papel inicial de ? era contrarrestar los efectos de la gravedad y ayudar a garantizar un universo en estado estacionario que no se expandiera ni se contrajera. Este papel, sin embargo, quedó obsoleto tras el descubrimiento de Edwin Hubble en 1929 de que el universo se está expandiendo. Cuando Einstein finalmente se convenció de esto, se designó ? al basurero cósmico. Sin embargo, como el proverbial centavo malo, resurgiría en una forma diferente décadas después.

Mientras que una vez que la constante cosmológica se usó para equilibrar el universo contra la expansión, en la cosmología moderna ? representa la energía del vacío, la densidad de energía inherente del espacio vacío, que ya no solo equilibra la gravedad, sino que la abruma. Sin embargo, eso no significa que ? se haya vuelto menos problemático. “En 1998, el equipo de búsqueda de supernovas High-Z descubrió que la tasa de expansión se aceleraba en lugar de desacelerar”, dice Garnavich, quien participó en la investigación utilizando supernovas de tipo Ia para estudiar la expansión del universo. Esto requiere alguna forma de energía adicional en todo el universo o alguna explicación más exótica. Esta fuerza impulsora se conoce como "energía oscura", y el término en sí se ha convertido en un marcador de posición para las diversas entidades teóricas que podrían explicar esta expansión acelerada. Los sospechosos van desde la energía del vacío, el modelo actual más favorecido; a campos cuánticos; e incluso campos de taquiones que viajan en el tiempo, partículas hipotéticas que viajan a velocidades superiores a la de la luz.

La constante cosmológica sirve como la explicación más simple posible para la energía oscura que impulsa esta expansión acelerada y, por lo tanto, su valor teórico debería coincidir con las observaciones. Desafortunadamente, como se mencionó, el primero es mayor que el segundo en unos 120 órdenes de magnitud. Claramente, la reputación de ? como “la peor predicción en la historia de la física” no es una mera hipérbole.

Obtener una ventaja inicial sobre el problema

El papel de la energía oscura en el universo primitivo ha estado en la mente de Luz Ángela García, física y astrónoma de la Universidad ECCI, Bogotá, Colombia. Junto con sus colaboradores Leonardo Castañeda y Juan Manuel Tejeiro del Observatorio Astronómico Nacional de la Universidad Nacional de Colombia, García está proponiendo un modelo de “energía oscura temprana” (EDE) como una posible solución al problema de la constante cosmológica (New Astronomy 84 101503).

El elemento radical de la propuesta del equipo es la idea de que los modelos cosmológicos podrían no necesitar la constante cosmológica en absoluto. Por supuesto, todavía hay que considerar esa expansión acelerada, por lo que para dar cuenta de esto, García busca otras fuentes. “Cuando me acerqué por primera vez a este campo, me encontré con la inconsistencia con los valores predichos tanto por la cosmología como por la física de alta energía, y traté de formular un modelo alternativo a ? mediante el estudio de posibles candidatos para explicar la expansión acelerada del universo”, dijo. dice.

?, tal como se considera actualmente, solo explica la expansión del universo una vez que la materia comenzó a estructurarse, una era que duró desde 47 000 años hasta 9 800 millones de años después del Big Bang. García quería considerar una forma de energía oscura que comenzó a desempeñar un papel en la época anterior, "dominada por la radiación", desde los primeros momentos de la "inflación cósmica". Se cree que la inflación, la expansión repentina y muy rápida del universo primitivo, tuvo lugar unos 10-36 segundos después del Big Bang, pero se cree que esta rápida expansión fue impulsada por fluctuaciones cuánticas y no por energía oscura. Eventualmente, la fuerza de atracción de la gravedad desaceleró esta expansión, hasta alrededor de 9.800 millones de años en la historia del universo, cuando la energía oscura comenzó a acelerar su expansión una vez más (figura 1). García y sus colegas, sin embargo, describen esta energía oscura como una entidad que podría haber estado presente tanto en la época dominada por la radiación como en la dominada por la materia como un "fluido perfecto que no interactúa" que evolucionó con los otros componentes del universo.

1 Un enigma cósmico Las diferentes eras de la expansión cósmica. La energía oscura domina en la era final, impulsando una expansión acelerada, y esto se caracteriza por la constante cosmológica. Sin embargo, los modelos de "energía oscura temprana" sugieren que este elemento podría haber estado presente en los primeros momentos del universo, aunque ejerciendo poca influencia. (Cortesía: Ann Feild, STScI)

“Los puntos fuertes del modelo son los siguientes: en primer lugar, proporciona una descripción convincente de la expansión acelerada del universo durante su época actual, que comenzó hace unos cuatro mil millones de años”, explica García. "En segundo lugar, nuestra formulación permite la evolución con corrimiento al rojo en lugar de la constante cosmológica, en la que la densidad de energía no cambia con el tiempo". Esto podría explicar por qué el valor teórico sugerido por QFT es mayor que el valor dado por los desplazamientos al rojo de las supernovas distantes. El valor ha evolucionado con el tiempo.

García identifica una fortaleza adicional de su modelo EDE, que es que ofrece varias predicciones que coinciden bien con mediciones prácticas y datos de alta resolución sobre varias etapas de la evolución del universo. El resultado es una imagen teórica que coincide con la proporción que observamos en la época actual dominada por la energía oscura de nuestro universo, donde su contenido de materia/energía está dominado por la fuerza de aceleración. “Por supuesto, podríamos usar tanto la constante cosmológica como nuestra EDE, pero complica innecesariamente la descripción y no hay una justificación física para eso”, dice García. "Solo necesitamos un componente para describir la expansión acelerada del universo hoy".

Si la decisión de eliminar la constante cosmológica, o ponerla a cero, tomada por García y sus colaboradores parece algo arbitraria, ella señala que hay casi una “arbitrariedad” inherente a la introducción de la constante en primer lugar. “No hay una razón fundamental para dar por sentado que la energía oscura tiene que manifestarse como la constante cosmológica”, comenta. “No hemos detectado ninguna forma de energía oscura ni la constante cosmológica; por lo tanto, cualquier forma de energía oscura es válida hasta que los datos confirmen o refute su existencia”.

La EDE que sugiere García no es perfecta. De hecho, viene con elementos que la comunidad científica en general puede ser reacia a adoptar. Pero ella no rehuye señalar los defectos potenciales en sus propias ideas. “Hay dos temas que la comunidad podría encontrar preocupantes”, admite García. “Por un lado, los modelos más complejos implican un conjunto más amplio de parámetros libres. No es algo que deseemos para nuestras formulaciones, porque esos parámetros pueden no tener una interpretación física directa. En ese sentido, la constante cosmológica es un modelo ventajoso, porque tiene un número mínimo de parámetros libres, todos ellos restringidos con las observaciones actuales”.

Hemos estado revisando y buscando más conjuntos de datos de observación para validar nuestros modelos. Por lo tanto, estamos creando un puente entre la teoría y la cosmología observacional.

La segunda cosa que García admite que puede causar cierta cautela es que el modelo aún no se ha sometido a muchas pruebas de observación. “Hemos estado revisando y buscando más conjuntos de datos de observación para validar nuestros modelos. Por lo tanto, estamos creando un puente entre la teoría y la cosmología observacional”.

La constante cosmológica “bien temperada”

Obligar a la constante cosmológica a tomar un valor de cero puede llevar al cosmólogo curioso a considerar qué sucede si hacemos lo contrario. En otras palabras, qué pasaría si le permitiéramos tomar un valor arbitrariamente grande, similar al valor propuesto por QFT.

Stephen Appleby, cosmólogo del Centro de Física Teórica de Asia Pacífico en Pohang, República de Corea, adopta este enfoque para abordar el problema. Comienza asumiendo que la predicción dada por QFT es correcta, lo que permite que ? tome el valor inmensamente grande que predice (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2018 034). “Usando observaciones cosmológicas modernas de supernovas de tipo Ia y el CMB, podemos medir la densidad de energía total del universo, incluida la energía del vacío”, explica Appleby. “El valor obtenido de estas mediciones es pequeño en comparación con las escalas de física de partículas”.

Esto se debe a que, según QFT, cada partícula del universo debería contribuir a la energía del vacío, ejerciendo así una presión negativa que impulsa la expansión del universo. El problema es que dada la cantidad estimada de partículas en el universo, así como los pares de partículas virtuales que aparecen y desaparecen en el espacio vacío, la energía del vacío debería estar acelerando la expansión mucho más rápido de lo que los astrónomos ven en los desplazamientos hacia el rojo de las supernovas ( Figura 2).

2 Una supernova de tipo Ia La imagen muestra una supernova con corrimiento al rojo z = 0,40 (correspondiente a una distancia de unos 6000 millones de años luz), observada por el New Technology Telescope de 3,6 m en Chile. Las observaciones de supernovas tan distantes, que parecen mucho más tenues de lo esperado a pesar de su distancia, proporcionaron evidencia observacional de que la expansión de nuestro universo se está acelerando, un hallazgo que inspiró la reintroducción de la constante cosmológica. (CC BY SA 4.0/ESO)

QFT dice que el valor de esta contribución está dado por la masa de las partículas, que son bien conocidas, lo que significa que no hay problema con este aspecto de QFT. Como ejemplo de esta diferencia radical entre la contribución a la energía oscura y la constante cosmológica que QFT dice que deberían hacer las partículas, y el valor que realmente observamos, Appleby cita el electrón y el bosón de Higgs. En función de sus masas, las contribuciones realizadas únicamente por estas partículas a la energía del vacío del universo deberían ser aproximadamente de 40 a 60 órdenes de magnitud mayores de lo que sugieren nuestras mediciones astronómicas.

Asumiendo que el valor proporcionado por QFT es correcto, Appleby y su colaborador Eric Linder de la Universidad de California, Berkeley, tienen que explicar por qué el valor observado es tan pequeño. Lo hacen refinando la idea de la gravedad misma. "Hicimos la pregunta: ¿podemos construir una teoría de la gravedad que posea estados de vacío de baja energía, a través de contribuciones de partículas más bajas, a pesar de la gran constante cosmológica?" explica Appleby. "Nuestro análisis muestra que tal teoría se puede construir, pero solo mediante la introducción de campos gravitatorios adicionales en los modelos del universo".

Appleby y Linder han construido una clase general de modelos gravitacionales, lo que sugiere que la energía del vacío está presente, pero no afecta la curvatura del espacio-tiempo. Esto da como resultado un espacio-tiempo que se parece a nuestro universo de baja energía, no uno con la enorme energía de vacío de QFT. “Seleccionamos modelos de gravedad particulares con el comportamiento que estamos buscando”, continúa. “La energía del vacío está presente en nuestro enfoque, pero no afecta la curvatura del espacio-tiempo. Gravita, pero su efecto se siente puramente por el nuevo campo gravitatorio que hemos introducido. En este enfoque, el problema de la constante cosmológica se vuelve discutible porque puede tomar cualquier valor, pero su efecto no se siente directamente”.

La fuerza del modelo, que el dúo etiqueta como "la constante cosmológica bien temperada", es que no es necesario ajustar las escalas de energía dentro de él. Como la energía del vacío en sus modelos no afecta la curvatura del espacio-tiempo, las contribuciones individuales de las partículas no influirían en el corrimiento al rojo de las supernovas, eliminando así la disparidad observacional. Por lo tanto, la energía del vacío en su modelo puede ser cualquier valor que prediga QFT y la física de partículas, sin entrar en conflicto con los valores observados de la astronomía. Esta energía puede incluso cambiar debido a una transición de fase.

A pesar de esta utilidad, Appleby, al igual que García, acepta que el modelo que él y Linder propusieron no es perfecto y necesita ser refinado. “El problema principal de nuestro trabajo es que tenemos que introducir nuevos campos gravitatorios, que aún no se han observado, y la energía cinética y el potencial de estos campos adicionales deben tomar una forma muy particular”, dice. "Es una pregunta abierta si dicho campo puede integrarse en algún modelo de gravedad cuántica más fundamental".

Appleby también señala que su modelo requiere una revisión de GR, que es una teoría de la gravedad de gran éxito. De hecho, GR está respaldado por una gran cantidad de evidencia experimental tanto aquí en la Tierra como más allá de los límites de la Vía Láctea. “Cuando modificas la gravedad de alguna manera, debes demostrar que esta nueva teoría también puede pasar las mismas pruebas de observación estrictas que tiene GR”, reconoce Appleby. "Este es un obstáculo difícil de superar para cualquier modelo de gravedad, y debemos realizar estas comprobaciones en el futuro".

Sintonizando con el problema de la constante cosmológica

Tratar de ajustar las teorías de la gravedad para dar cuenta del problema de la constante cosmológica también es un enfoque que ha sido considerado por Lombriser en Ginebra. “Mi investigación en esta área comenzó con la investigación de modificaciones a la teoría de RG de Einstein como un impulsor alternativo de la expansión acelerada tardía de nuestro cosmos a la constante cosmológica”, explica Lombriser. “En 2015 me di cuenta de que para que las modificaciones de la teoría de la gravedad sean la causa directa de la aceleración cósmica y no violen las observaciones cosmológicas, la velocidad de las ondas gravitacionales tendría que diferir de la velocidad de la luz. Eso no sonaba bien y comencé a concentrarme en diferentes explicaciones”.

Lombriser ha comenzado a explorar la idea de que, si bien las modificaciones en GR o los campos de energía escalar pueden no ser responsables de causar directamente la aceleración de tiempo tardío, en cambio podrían "sintonizar" la constante cosmológica para hacerlo. “Me sorprendió que ni siquiera tuve que modificar las ecuaciones de Einstein para resolver el problema”, dice Lombriser. “Simplemente tuve que realizar una variación adicional con respecto a una cantidad que ya aparece en las ecuaciones: la masa de Planck, que representa la fuerza del acoplamiento gravitacional”.

Toma y daca Las fuerzas opuestas de la gravedad (verde) y la energía oscura (púrpura) se combinan para definir la expansión del universo. (Cortesía: NASA/JPL-Caltech)

La variación da como resultado una ecuación adicional, una que restringe ? al volumen del espacio-tiempo en el universo observable (Phys. Lett. B 797 134804). También explica por qué la energía del vacío no puede gravitar libremente. Lombriser agrega que al evaluar esta ecuación de restricción con algunos supuestos mínimos sobre nuestro lugar en la historia cósmica, él y sus colegas pueden estimar el valor que ocupa ? en nuestro presupuesto actual de energía cósmica. Han encontrado que esto está 70% de acuerdo con las contribuciones de energía oscura sugeridas por las observaciones.

“El modelo resuelve tanto los aspectos antiguos como los nuevos del problema de la constante cosmológica”, explica Lombriser. “El viejo problema de la energía gravitante del vacío y el nuevo problema de la aceleración cósmica con una pequeña constante cosmológica, da como resultado esta extraña coincidencia de que vivimos en un tiempo donde la densidad de energía es comparable a la de la constante cosmológica. Una clara fortaleza del modelo es su simplicidad”.

Lombriser también acepta que hay elementos en la solución que propone que tienen fallas o necesitan refinamiento. En particular, señala el hecho de que, debido a su similitud con la teoría estándar, el modelo que sugiere puede ser imposible de falsificar. “Creo que el camino a seguir aquí es ver si este nuevo enfoque puede extenderse para explicar de forma natural otros fenómenos poco conocidos, como la producción de una fase inflacionaria natural en el universo primitivo”, dice. “O podemos investigar cómo aparece el mecanismo de autoajuste a partir de las interacciones de la teoría fundamental. Estos podrían dar lugar a fenómenos aún desconocidos que pueden ser probados en el laboratorio”.

El atractivo “vainilla” de la constante cosmológica

Por supuesto, las tres ideas discutidas aquí podrían resultar ser callejones sin salida teóricos, un salto demasiado lejos para los investigadores que se han acostumbrado al misterio de la constante cosmológica.

De hecho, ? podría seguir siendo un problema para las descripciones del universo y su expansión en las próximas décadas. “Esta constante cosmológica es como el helado de vainilla, es muy bueno, pero un poco aburrido”, concluye Garnavich. "Quitarlo hará que la casa se derrumbe a menos que haya una teoría mejor para reemplazarlo".

Esto probablemente resultará en "sabores" más emocionantes de ideas, teorías y modelos hasta que se encuentre una explicación satisfactoria para el problema de la constante cosmológica. Cuando se trata de cosmología y ciencia en general, definitivamente hay un beneficio en el enfoque de "nada arriesgado, nada ganado". Como el mismo Einstein capturó perfectamente este ethos: “Una persona que nunca cometió un error, nunca intentó nada nuevo”.

Video: einstein cosmological constant

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