Desde antes del Big Bang hasta nuestros días, el Universo atraviesa muchas eras. La energía oscura anuncia la final

Por: Juan Rodríguez Vega

Leí este artículo y me pareció tan interesante que decidí compartirlo sin quitar una sola palabra. Espero lo disfruten mis tres lectores

El Universo no es el mismo hoy que ayer. Con cada momento que pasa, se producen una serie de cambios sutiles pero importantes, incluso si muchos de ellos son imperceptibles en escalas de tiempo humanas medibles. El Universo se está expandiendo, lo que significa que las distancias entre las estructuras cósmicas más grandes aumentan con el tiempo.

Hace un segundo, el Universo era un poco más pequeño; dentro de un segundo, el Universo será un poco más grande. Pero esos cambios sutiles se acumulan en escalas de tiempo grandes y cósmicas y afectan más que solo las distancias. A medida que el Universo se expande, la importancia relativa de la radiación, la materia, los neutrinos y la energía oscura cambia. La temperatura del Universo cambia. Y lo que verías en el cielo también cambiaría drásticamente.

En total, hay seis eras diferentes en las que podemos dividir el Universo, y ya estamos viviendo en la última.

Todo lo que existe en nuestro Universo tiene cierta cantidad de energía en él: materia, radiación, energía oscura, etc. A medida que el Universo se expande, el volumen que ocupan estas formas de energía cambia, y cada una tendrá su densidad de energía evolucionando de manera diferente. En particular, si definimos el horizonte observable por la variable a, entonces:

• La materia tendrá su densidad de energía evolucionada como 1/a3, ya que (para la materia) la densidad es solo masa sobre volumen, y la masa se puede convertir fácilmente en energía a través de E = mc 2.
• La radiación tendrá su densidad de energía evolucionando como 1/4^2 , ya que (para la radiación) la densidad numérica es el número de partículas dividido por el volumen, y la energía de cada fotón individual se estira a medida que el Universo se expande, agregando un factor adicional de 1/a  relativo a la materia
• La energía oscura es una propiedad del propio espacio, por lo que su densidad de energía permanece constante (1a^0 ), independientemente de la expansión o el volumen del Universo.

Un Universo que ha existido más tiempo, por lo tanto, se habrá expandido más. Será más fresco en el futuro y más caliente en el pasado; era gravitacionalmente más uniforme en el pasado y ahora es más grumoso; era más pequeño en el pasado y será mucho, mucho más grande en el futuro.

Al aplicar las leyes de la física al Universo y comparar las posibles soluciones con las observaciones y mediciones que hemos obtenido, podemos determinar tanto de dónde venimos como hacia dónde nos dirigimos. Podemos extrapolar nuestra historia desde el comienzo del Big Bang caliente e incluso antes, hasta un período de  inflación cósmica . También podemos extrapolar nuestro Universo actual a un futuro lejano y prever el destino final que aguarda todo lo que existe.

Cuando dibujamos las líneas divisorias en función de cómo se comporta el Universo, encontramos que habrá seis eras diferentes que sucederán.

1. Era inflacionaria: que precedió y configuró el candente Big Bang.
2. Era de la Sopa Primordial: desde el comienzo del Big Bang caliente hasta que las interacciones transformadoras finales de partículas y nucleares ocurren en el Universo temprano.
3. Era del plasma: desde el final de las interacciones nucleares y de partículas sin dispersión hasta que el Universo se enfría lo suficiente como para formar de manera estable materia neutra.
4. Era de la Edad Media: desde la formación de la materia neutra hasta las primeras estrellas y galaxias que reionizan por completo el medio intergaláctico del Universo.
5. Era estelar: desde el final de la reionización hasta que cesa la formación y el crecimiento impulsados ​​por la gravedad de la estructura a gran escala, cuando la densidad de energía oscura domina sobre la densidad de la materia.
6. Era de la Energía Oscura: la etapa final de nuestro Universo, donde la expansión se acelera y los objetos desconectados se alejan irrevocablemente e irreversiblemente unos de otros.

Ya entramos en esta era final hace miles de millones de años. La mayoría de los eventos importantes que definirán la historia de nuestro Universo ya han ocurrido.

1.) Era inflacionaria

Antes del caliente Big Bang, el Universo no estaba lleno de materia, antimateria, materia oscura o radiación. No estaba lleno de partículas de ningún tipo. En cambio, estaba lleno de una forma de energía inherente al espacio mismo: una forma de energía que hizo que el Universo se expandiera de manera extremadamente rápida e implacable, de manera exponencial.

Estiró el Universo, desde cualquier geometría que alguna vez tuvo, a un estado indistinguible de espacialmente plano.

Expandió un pequeño parche del Universo conectado causalmente a uno mucho más grande que nuestro Universo actualmente visible: más grande que el horizonte causal actual.

Tomó cualquier partícula que pudiera haber estado presente y expandió el Universo tan rápidamente que ninguna de ellas quedó dentro de una región del tamaño de nuestro Universo visible.

Y las fluctuaciones cuánticas que ocurrieron durante la inflación crearon las semillas de la estructura que dieron origen a nuestra vasta red cósmica hoy.

Y luego, abruptamente, hace unos 13.800 millones de años, terminó la inflación. Toda esa energía, una vez inherente al espacio mismo, se convirtió en partículas, antipartículas y radiación. Con esta transición terminó la era inflacionaria y comenzó el candente Big Bang.

2.) Era de la sopa primordial

Una vez que el Universo en expansión esté lleno de materia, antimateria y radiación, se enfriará. Siempre que las partículas chocan, producirán los pares de partículas y antipartículas que permitan las leyes de la física. La restricción principal proviene solo de las energías de las colisiones involucradas, ya que la producción se rige por E = mc 2 .

A medida que el Universo se enfría, la energía cae y se vuelve cada vez más difícil crear pares de partículas y antipartículas más masivos, pero las aniquilaciones y otras reacciones de partículas continúan sin cesar. De 1 a 3 segundos después del Big Bang, la antimateria desaparece, dejando atrás solo la materia. De tres a cuatro minutos después del Big Bang, se puede formar deuterio estable y se produce la nucleosíntesis de los elementos ligeros. Y después de algunas desintegraciones radiactivas y algunas reacciones nucleares finales, todo lo que nos queda es un plasma ionizado caliente (pero frío) que consta de fotones, neutrinos, núcleos atómicos y electrones.

3.) Era del plasma

Una vez que se forman esos núcleos de luz, son los únicos objetos cargados positivamente (eléctricamente) en el Universo, y están en todas partes. Por supuesto, están equilibrados por una cantidad igual de carga negativa en forma de electrones. Los núcleos y los electrones forman átomos, por lo que podría parecer natural que estas dos especies de partículas se encuentren inmediatamente, formando átomos y allanando el camino para las estrellas.

Desafortunadamente para ellos, los fotones los superan en número, en más de mil millones a uno. Cada vez que un electrón y un núcleo se unen, aparece un fotón de energía suficientemente alta y los destruye. No es hasta que el Universo se enfría drásticamente, de miles de millones de grados a solo miles de grados, que finalmente se pueden formar los átomos neutros. (E incluso entonces, solo es posible gracias a una transición atómica especial).

Al comienzo de la era del Plasma, el contenido de energía del Universo está dominado por la radiación. Al final, está dominado por materia normal y oscura. Esta tercera fase nos lleva a 380.000 años después del Big Bang.

4.) Era de la Edad Media

Lleno de átomos neutros, por fin, la gravitación puede comenzar el proceso de formación de estructura en el Universo. Pero con todos estos átomos neutros alrededor, lo que actualmente conocemos como luz visible sería invisible en todo el cielo.

¿Por qué? Porque los átomos neutros, particularmente en forma de polvo cósmico, son excelentes para bloquear la luz visible.

Para acabar con estas edades oscuras, es necesario reionizar el medio intergaláctico. Eso requiere enormes cantidades de formación de estrellas y una gran cantidad de fotones ultravioleta, y eso requiere tiempo, gravitación y el comienzo de la red cósmica. Las primeras regiones importantes de reionización tienen lugar entre 200 y 250 millones de años después del Big Bang, pero la reionización no se completa, en promedio, hasta que el Universo tiene 550 millones de años. En este punto, la tasa de formación de estrellas sigue aumentando y los primeros cúmulos masivos de galaxias apenas comienzan a formarse.

5.) Era estelar

Una vez que terminan las edades oscuras, el Universo se vuelve transparente a la luz de las estrellas. Los grandes recovecos del cosmos ahora son accesibles, con estrellas, cúmulos de estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias y la gran red cósmica en crecimiento, todos esperando ser descubiertos. El Universo está dominado, en términos de energía, por materia oscura y materia normal, y las estructuras unidas por gravedad continúan creciendo cada vez más.

La tasa de formación de estrellas aumenta y aumenta, alcanzando un máximo de unos 3 mil millones de años después del Big Bang. En este punto, continúan formándose nuevas galaxias, las galaxias existentes continúan creciendo y fusionándose, y los cúmulos de galaxias atraen cada vez más materia. Pero la cantidad de gas libre dentro de las galaxias comienza a caer, ya que las enormes cantidades de formación estelar han consumido una gran cantidad. Lenta pero constantemente, la tasa de formación de estrellas desciende.

A medida que avanza el tiempo, la tasa de muerte estelar superará la tasa de natalidad, un hecho agravado por la siguiente sorpresa: a medida que la densidad de la materia cae con el Universo en expansión, una nueva forma de energía,  la energía oscura  , comienza a aparecer y dominar. Aproximadamente 7.800 millones de años después del Big Bang, las galaxias distantes dejan de desacelerarse en su recesión y comienzan a acelerarse nuevamente. El Universo acelerado está sobre nosotros. Un poco más tarde, 9.2 mil millones de años después del Big Bang, la energía oscura se convierte en el componente dominante de la energía en el Universo. En este punto, entramos en la era final.

6.) Era de la Energía Oscura

Una vez que la energía oscura toma el control, sucede algo extraño: la estructura a gran escala en el Universo deja de crecer. Los objetos que estaban ligados gravitacionalmente entre sí antes de la toma de posesión de la energía oscura permanecerán ligados, pero aquellos que aún no estaban ligados por el inicio de la era de la energía oscura nunca lo estarán. En cambio, simplemente se alejarán el uno del otro, llevando existencias solitarias en la gran extensión de la nada.

Las estructuras unidas individuales, como galaxias y grupos / cúmulos de galaxias, eventualmente se fusionarán para formar una galaxia elíptica gigante. Las estrellas existentes morirán; la formación de nuevas estrellas se reducirá a un goteo y luego se detendrá; Las interacciones gravitacionales expulsarán a la mayoría de las estrellas al abismo intergaláctico. Los planetas se convertirán en espirales hacia sus estrellas progenitoras o remanentes estelares, debido a la desintegración por radiación gravitacional. Incluso los agujeros negros, con una vida útil extraordinariamente larga, eventualmente se descompondrán debido a la radiación de Hawking.

Al final, solo quedarán estrellas enanas negras y masas aisladas demasiado pequeñas para encender la fusión nuclear, escasamente pobladas y desconectadas entre sí en este cosmos vacío y en constante expansión. Estos cadáveres en estado final existirán incluso googols de años en adelante, persistiendo mientras la energía oscura sigue siendo el factor dominante en nuestro Universo. Mientras los núcleos atómicos estables y la estructura del espacio en sí no sufran algún tipo de desintegración imprevista, y mientras la energía oscura se comporte de manera idéntica a la constante cosmológica que parece ser, este destino es inevitable.

Esta última era, de dominación de la energía oscura, ya ha comenzado. La energía oscura se volvió importante para la expansión del Universo hace 6 mil millones de años, y comenzó a dominar el contenido energético del Universo en la época en que nacían nuestro Sol y nuestro Sistema Solar. El Universo puede tener seis etapas únicas, pero durante la totalidad de la historia de la Tierra, ya hemos estado en la última.

Eche un buen vistazo al Universo que nos rodea. Nunca volverá a ser tan rico, ni tan fácil de acceder.

Fuente:

Ethan Siegel

01/05/2022

bigthink.com

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