Una representación de la evolución del universo durante 13,77 mil millones de años. El extremo izquierdo representa el primer momento que ahora podemos sondear, cuando un período de «inflación» produjo una explosión de crecimiento exponencial en el universo. (El tamaño está representado por la extensión vertical de la cuadrícula en este gráfico.) Durante los siguientes mil millones de años, la expansión del universo se ralentizó gradualmente a medida que la materia en el universo se empujaba a sí misma a través de la gravedad. Más recientemente, la expansión ha comenzado a acelerarse nuevamente a medida que los efectos repulsivos de la energía oscura dominan la expansión del universo. Crédito: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Los investigadores estudian la expansión cósmica utilizando métodos de la física de muchos cuerpos.
Casi siempre se asume en los cálculos cosmológicos que existe una distribución uniforme de materia en el universo. Esto se debe a que los cálculos serían muy complicados si se incluyera la posición de cada estrella. En realidad, el universo no es uniforme: en algunos lugares hay estrellas y planetas, en otros solo hay vacío.
Los físicos Michael te Vrugt y el Prof. Raphael Wittkowski del Instituto de Física Teórica y del Soft Nanocience Center (SoN) del Universidad de Munster desarrollaron, junto con la física Dra. Sabine Hossenfelder, del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt (FIAS), un nuevo modelo para este problema. Su punto de partida fue el formalismo de Mori-Zwanzig, un método para describir sistemas que constan de una gran cantidad de partículas con una pequeña cantidad de mensurandos. Los resultados del estudio ya han sido publicados en la revista Cartas de revisión física.
Antecedentes: la teoría de la relatividad general desarrollada por Albert Einstein es una de las teorías más exitosas de la física moderna. Dos de los últimos cinco premios Nobel de Física tenían asociaciones con él: en 2017 para la medición de ondas gravitacionales, y en 2020 por el descubrimiento de un Calabozo en el centro de Vía Láctea. Una de las aplicaciones más importantes de la teoría es la descripción de la expansión cósmica del universo desde la Gran explosión. La velocidad de esta expansión está determinada por la cantidad de energía en el universo. Además de la materia visible, es sobre todo la materia oscura y la energía oscura las que juegan un papel aquí, al menos según el modelo Lambda-CDM que se utiliza actualmente en cosmología.
“Estrictamente hablando, es matemáticamente incorrecto incluir el valor promedio de la densidad de energía del universo en las ecuaciones de la relatividad general”, dice Sabine Hossenfelder. La pregunta ahora es qué tan «malo» es este error. Algunos expertos lo consideran irrelevante, otros lo ven como la solución al enigma de la energía oscura, cuya naturaleza física aún se desconoce. Una distribución desigual de la masa en el universo puede afectar la velocidad de la expansión cósmica.
«El formalismo Mori-Zwanzig ya se está utilizando con éxito en muchos campos de investigación, desde la biofísica hasta la física de partículas», dice Raphael Wittkowski, «por lo que también ofreció un enfoque prometedor para este problema astrofísico». El equipo generalizó este formalismo para que pudiera aplicarse a la relatividad general y así derivó un modelo de expansión cósmica teniendo en cuenta la distribución desigual de la materia en el universo.
El modelo hace una predicción concreta del efecto de estas llamadas inhomogeneidades en la velocidad de expansión del universo. Esta predicción se desvía un poco de la proporcionada por el modelo Lambda-CDM y, por lo tanto, brinda la oportunidad de probar el nuevo modelo experimentalmente. “Por el momento, los datos astronómicos no son lo suficientemente precisos para medir esta desviación”, dice Michael te Vrugt, “pero el gran progreso logrado, por ejemplo, en la medición de ondas gravitacionales, nos da razones para esperar que esto cambie. Además, la nueva variante del formalismo de Mori-Zwanzig también se puede aplicar a otros problemas astrofísicos, por lo que el trabajo es relevante no solo para la cosmología. «
Referencia: “El formalismo de Mori-Zwanzig para la relatividad general: un nuevo enfoque al problema del promedio” por Michael te Vrugt, Sabine Hossenfelder y Raphael Wittkowski, 1 de diciembre de 2021, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.231101
Financiación: Michael te Vrugt recibe financiación en forma de beca de doctorado de la Studienstiftung des deutschen Volkes (Fundación de Becas Alemana). Sabine Hossenfelder recibe apoyo financiero de la Fundación de Investigación Alemana (DFG, HO 2601 / 8-1). El grupo de trabajo de Wittkowski también está financiado por la Fundación de Investigación Alemana (DFG, WI 4170 / 3-1).
