Con todas las maravillas tecnológicas que tenemos hoy, es tentador pensar que tenemos todas las respuestas. Sin embargo, la realidad de la situación es muy diferente: muchas de las preguntas fundamentales sobre la naturaleza del universo aún no tienen respuesta. Aquí están las cosas que mantienen a los cosmólogos en la noche.
Materia oscura: las galaxias son raras
Todos estamos acostumbrados al hecho de que la gravedad mantiene las cosas juntas: es la gravedad que te mantiene fijado a la tierra, la luna orbitando la tierra y la tierra que orbita al sol. Entendemos la interacción entre la masa y la gravedad intuitivamente.
Desafortunadamente para los astrónomos, hay algo extraño en la gravedad de las galaxias.
Al igual que la gravedad mantiene la tierra en órbita alrededor del sol, la gravedad también mantiene a las estrellas en las galaxias orbitando el centro de la galaxia. Usando una mezcla de observación y teoría, los astrónomos pueden estimar cuánta masa contiene una galaxia y puede estimar las fuerzas gravitacionales ejercidas sobre las estrellas.
El problema surge cuando comienzas a ver qué tan rápido Stars Orbit dentro de una galaxia. Al igual que los planetas en nuestro sistema solar, esperaría que las estrellas en el borde exterior de una galaxia orbiten más lentamente que las hacia el centro de la galaxia. Sin embargo, eso no es lo que ven los científicos. En cambio, las estrellas orbitan a aproximadamente la misma velocidad, independientemente de su distancia desde el Centro Galáctico. Es posible que vea esto referido como el “problema de rotación de la galaxia”.
Dado el movimiento de las estrellas, los científicos concluyeron que debe haber asuntos adicionales que no podamos ver distribuidos en todas las galaxias.
Los científicos han denominado esta materia adicional invisible “materia oscura” y han estado buscando pistas para explicarlo desde que se predijo por primera vez. Nadie sabe de manera concluyente qué es la materia oscura, pero la explicación más popular es que la materia oscura se compone de partículas de todos modos, o de todos modos, en relación masiva (masiva en relación con protones y neutrones), o Wimps para abreviar. Desafortunadamente, por definición, las partículas de interacción débil son extremadamente difíciles de observar directamente.
Bethany Baldwin-Pulcini y Steven Hyatt de UC Davis construyeron una práctica aplicación web Eso le permite explorar la relación entre la masa del agujero negro de una galaxia, la cantidad de materia regular y la cantidad de materia oscura en la velocidad de las estrellas.
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El extraño movimiento de las galaxias no es la única evidencia de materia oscura. Cuando la luz pasa a través de un campo gravitacional, el camino se dobla, y la curva se vuelve más extrema a medida que el campo gravitacional se vuelve más fuerte. Al mirar grupos de galaxias, que tienen una masa increíble, puedes ver la luz de flexión de la gravedad.
Los científicos han calculado cuánta luz debería Doblar según la cantidad de materia que podemos ver, y descubrieron que la luz se dobla más de lo esperado. Los campos gravitacionales inesperadamente fuertes son aún más evidencia de que hay mucha materia en el universo que es invisible para nosotros.
Según la NASAhasta el 85% de la materia total del universo es en realidad la materia oscura.
Tensión del hubble: no podemos estar de acuerdo en qué tan rápido se está expandiendo el universo
En 1929, el científico Edwin Hubble descubrió algo notable: el universo se está expandiendo. En ese momento, era revolucionario, incluso Einstein originalmente se había equivocado. En la década de 1990, las cosas se pusieron aún más extrañas. El universo no solo se está expandiendo, sino que la tasa de expansión en realidad está aumentando, probablemente debido a la misteriosa influencia de cierta “energía oscura”.
Desde entonces, los científicos han tenido la intención de calcular cuán rápido se está expandiendo el universo usando instrumentos como el telescopio espacial Hubble, el telescopio espacial James Webb y Planck.
Para hacer eso, usan “velas estándar”, que son objetos cuya luminosidad se entiende bien. Eso suena complicado, pero no es tan exótico como podría pensar. Si sabes cuánta luz realmente está emitiendo algo, y sabes lo brillante que parece, puedes averiguar qué tan lejos está. Los dos ejemplos más famosos de estas velas estándar son las estrellas variables cifiadas y las supernovas de tipo IA, las cuales se han estudiado ampliamente. La imagen a continuación marca algunas estrellas variables cepheidas en UGC 9391, una galaxia a más de 130 millones de años luz de la Tierra.
Por otro lado, también puede examinar cosas como el fondo de microondas cósmico (CMB), que se creó solo 400,000 años después del Big Bang, para estimar qué tan rápido se está expandiendo el universo.
Aquí está el problema cuando haces los cálculos: obtienes respuestas muy diferentes. La tasa de expansión calculada usando “velas estándar” es aproximadamente un 9% más rápida de lo que obtiene si la mide usando el fondo de microondas cósmico. Los científicos están seguros de por qué existe esa diferencia, pero están extremadamente seguros de que no es un problema con las mediciones. Algo más está en el trabajo.
Un estudio Publicado en los avisos mensuales de la Royal Astronomical Society sugiere que todo el universo está girando lentamente, lo que podría dar lugar a la discrepancia.
Energía oscura: ¿Por qué se está expandiendo el universo?
Los científicos confían en que el universo se está expandiendo a un ritmo cada vez mayor, pero nadie está completamente seguro de cómo o por qué está sucediendo.
La explicación principal es que hay una fuente de energía desconocida, típicamente llamada “energía oscura”, que está alimentando la expansión. De donde proviene esa energía también es una cuestión de debate.
La teoría más común, generalmente solo llamada “constante cosmológica”, es que el espacio siempre tiene una cierta cantidad mínima de energía, por lo que a medida que el universo se expande, aparece más energía espontáneamente. Desafortunadamente, la teoría actualmente no puede predecir con precisión la cantidad de energía que hemos observado, y la respuesta final a la energía oscura probablemente requerirá una nueva física para descubrir.
Materia vs. antimater: ¿por qué existimos?
Todo lo que tocas en tu vida cotidiana se compone de la materia, a veces llamada materia “bariónica”. Pero hay un problema: (y tú) probablemente no debería estar aquí.
Al igual que hay polos norte y sur en un imán, y terminales negativas y positivas en una batería, la materia también tiene un opuesto, apropiadamente llamado “antimateria” o “materia anti-barioic”.
La antimateria y la materia tienen propiedades iguales y opuestas. Por ejemplo, cuando habla de materia ordinaria, el núcleo de un átomo de protones cargados positivamente. Con la antimateria, el núcleo tiene una carga negativa, porque está compuesta de antiprotones cargados negativamente. De hecho, podemos producir antimateria en pequeñas cantidades en laboratorios.
Entonces, ¿qué sucede si combinas materia y antimateria? Aniquilan, violentamente. Las reacciones de Matter-Antimatter son 100% eficientes. La masa combinada de la materia y la antimateria se convierten en energía.
Si la materia y la antimateria se hubieran creado en cantidades iguales al comienzo del universo, ninguno de nosotros estaría aquí hoy: el asunto y la antimateria se habrían aniquilado entre sí. Los científicos han estado encuestando objetos en el espacio profundo, como el clúster de bala a continuación, en un intento por encontrar signos de antimateria desde el comienzo del universo, con poco éxito. El hecho de que estemos aquí, y que gran parte del universo observable está hecho de materia, es extraño.
Eso llega al corazón del misterio: ¿por qué hay tanta importancia y tan poco anti-nomtono? Hasta ahora, nadie lo sabe.
El Big Bang
El Big Bang generalmente es respaldado por la evidencia que los científicos han recolectado durante el siglo pasado, pero aún no hay una buena respuesta para “¿Por qué fue a golpear en primer lugar?”
Una explicación es que el Big Bang fue causado por una fluctuación cuántica. La física cuántica predice que el espacio no está realmente vacío. Más bien, las partículas están surgiendo espontáneamente antes de ser aniquiladas por todo el lugar, todo el tiempo. Puede ser que el universo sea el resultado de una fluctuación particularmente espectacular.
También hay otras teorías aún más exóticas. Una de esas teorías, llamada “cosmología brane”, proviene de la teoría de cuerdas. La idea es que el universo está compuesto por grandes estructuras llamadas salvamentos que existen en hasta 11 dimensiones. Si existen, se cree que estos Branes interactuarán entre sí y, a veces, incluso chocan. Tales colisiones podrían crear un universo como el nuestro.
Curiosamente, esta explicación también permite la existencia de un multiverso, donde existe más de un universo.
Desafortunadamente, como la mayoría de las predicciones hechas por la teoría de cuerdas, actualmente no podemos probar la existencia de salvados, y es completamente posible que una respuesta concreta siempre esté fuera de alcance.
Puede parecer que todos estos misterios pueden resolverse dado suficiente tiempo o ingenio científico, pero no debemos dar eso por sentado. Muchas de estas preguntas están vinculadas en eventos que ocurrieron hace miles de millones de años, en condiciones tan extremas que ni siquiera las reconoceríamos como nuestro propio universo. Algunas de estas ideas, especialmente aquellas que dependen de la teoría de cuerdas, pueden estar permanentemente fuera de nuestro alcance. Como mínimo, estamos garantizados que necesitaremos una nueva física emocionante para obtener una respuesta satisfactoria.
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