¿Del Big Bang al Big Rip?

El universo puede ser un lugar muy pegajoso, pero qué tan pegajoso es, es un tema de debate.

Ilustración del escenario Big Rip (Jeremy Teaford / Vanderbilt)

Ilustración del escenario Big Rip (Jeremy Teaford / Vanderbilt)

Eso se debe a que durante décadas los cosmólogos han tenido problemas para conciliar la noción clásica de la viscosidad según las leyes de la termodinámica con la teoría general de la relatividad de Einstein. Sin embargo, un equipo de la Universidad de Vanderbilt ha formulado una concepción matemática totalmente nueva del problema, que parece llenar ese vacío de larga data.

La nueva formulación matemática tiene algunas implicaciones importantes para el destino final del universo. Tiende a favorecer uno de los escenarios más radicales que los cosmólogos han denominado el “Big Rip”. También puede arrojar nueva luz sobre la naturaleza básica de la energía oscura.

El tipo de viscosidad que tiene relevancia cosmológica es diferente de la forma familiar de la viscosidad (como la viscocidad de la miel, por ejemplo), que se llama viscosidad de corte y es una medida de la resistencia de un fluido que fluye a través de pequeñas aberturas como el cuello de una botella. En lugar de ello, la viscosidad cosmológica es una forma de viscosidad de volumen, que es la medida de la resistencia de un fluido a la expansión o la contracción. La razón por la que no solemos encontrarnos con la viscosidad de volumen en la vida cotidiana es porque la mayoría de los líquidos en nuestro entorno no se pueden comprimir o expandir mucho.

Disconzi comenzó abordando el problema de los fluidos relativistas. Los objetos astronómicos que producen este fenómeno incluyen las supernovas (explosiones de estrellas) y las estrellas de neutrones (estrellas que se han contraído hasta el tamaño de un planeta).

Los científicos han tenido un éxito considerable en modelar lo que ocurre cuando los fluidos ideales – aquellos sin viscosidad – se aceleran a velocidades cercanas a la luz. Pero casi todos los fluidos son viscosos en la naturaleza y, a pesar de décadas de esfuerzos, nadie ha conseguido llegar a una forma generalmente aceptada de tratar los fluidos viscosos que viajan a velocidades relativistas. En el pasado, los modelos formulados para predecir lo que sucede cuando estos fluidos más realistas son acelerados a una fracción de la velocidad de la luz han estado plagados de inconsistencias: la más evidente de las cuales ha sido la predicción de ciertas condiciones en las que estos fluidos pueden viajar más rápidamente que la velocidad de la luz.

Estos problemas inspiraron al profesor adjunto de matemáticas, Marcelo Disconzi, a reformular las ecuaciones de la dinámica de fluidos relativista de una forma que no presente la falla de permitir velocidades más rápidas que la de la luz. Para ello se basó en un enfoque avanzado de los años 50 del matemático francés André Lichnerowicz.

Luego Disconzi se asoció con los profesores de física Thomas Kephart y Robert Scherrer con el fin de aplicar sus ecuaciones en una teoría cosmológica más amplia. Esto produjo una serie de resultados interesantes, incluyendo algunas nuevas perspectivas posibles sobre la naturaleza misteriosa de la energía oscura.

En la década de 1990 los físicos se sorprendieron cuando las mediciones astronómicas mostraron que el universo se está expandiendo a un ritmo cada vez más acelerado. Para explicar esta aceleración imprevista se vieron obligados a formular la hipótesis de la existencia de una forma desconocida de energía repulsiva que se extiende por todo el universo, a la que llamaron “energía oscura”.

La mayoría de las teorías de energía oscura hasta la fecha no han tomado en cuanta a la viscosidad cósmica, a pesar del hecho de que tiene un efecto repulsivo sorprendentemente similar al de la energía oscura. “Es posible, pero no es muy probable, que la viscosidad podría ser responsable de toda la aceleración que se ha atribuido a la energía oscura”, dijo Disconzi. “Es más probable que una fracción significativa de la aceleración podría deberse a esta causa más prosaica. Como resultado, la viscosidad puede actuar como una limitación importante en las propiedades de la energía oscura”.

Otro resultado interesante implica el destino final del universo. Desde el descubrimiento de la expansión del universo, los cosmólogos han ideado una serie de escenarios dramáticos de lo que podría significar para el futuro.

Un escenario, conocido como el “Big Freeze”, predice que en unos 100 trillones de años el universo habrá crecido tanto que los suministros de gas estarán tan disperson que no se podrán formar nuevas estrellas. Como resultado, las estrellas existentes se quemarán gradualmente, dejando sólo agujeros negros, que, a su vez, se evaporarán lentamente a medida que el espacio mismo se torne más y más frío.

Un escenario aún más radical es el “Big Rip”. Se basa en un tipo de energía oscura “fantasma” que se hace más fuerte con el tiempo. En este caso, la tasa de expansión del universo se vuelve tan grande que en 22 mil millones años los objetos materiales comenzarán a desintegrarse y los átomos individuales se separarán en partículas elementales disociadas y en radiación.

El valor clave de este escenario es la relación entre la presión y la densidad de la energía oscura, lo que se llama la ecuación del parámetro de estado. Si este valor cae por debajo de -1, entonces el universo eventualmente se desintegrará. A esto los cosmólogos lo han llamado la “barrera fantasma.” En los modelos anteriores con viscosidad el universo no podía evolucionar más allá de este límite.

En la formulación Desconzi-Kephart-Scherrer, sin embargo, no existe esta barrera. En su lugar, proporciona una manera natural para que la ecuación de parámetro de estado caiga por debajo de -1.

Según los científicos, los resultados de su análisis preliminar de esta nueva formulación para la viscosidad relativista son bastante prometedores, pero se debe llevar a cabo un análisis mucho más profundo para determinar su viabilidad. La única manera de hacer esto es usando equipos informáticos de gran potencia para analizar las ecuaciones numéricamente muy complejas. De esta manera los científicos pueden hacer predicciones que se pueden comparar con el experimento y la observación.

Estudio: Marcelo M. Disconzi, Thomas W. Kephart, Robert J. Scherrer. New approach to cosmological bulk viscosity. Phys. Rev. D 91, 043532, doi: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.91.043532

Fuente: Vanderbilt University

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