Astronomía

¿Cuál es la aceleración para la expansión del Universo?

¿Cuál es la aceleración para la expansión del Universo?


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Descubrí que la velocidad de expansión es de aproximadamente $ 70 frac {km} {s cdot 10 ^ {6} pc} $.

Pero, ¿cuál es la aceleración de la expansión en términos de $ frac {km} {s ^ {2} cdot 10 ^ {6} pc} $?

Quiero saber qué tan rápido está cambiando este valor de "70", es decir, ¿qué es $ mathrm {d} H_0 / mathrm {d} t $?


La siguiente figura muestra la evolución del parámetro de Hubble $ H $ desde hace 10 mil millones de años (Gyr) hasta 10 Gyr en el futuro:

Como puede ver, el cambio en $ H $ es modesto hoy en día, en comparación con el pasado. La "aceleración" de la expansión en cualquier momento viene dada por la tangente a la curva en ese momento. Hoy, el cambio es $ dH / dt simeq -1.2 , mathrm {km} , mathrm {s} ^ {- 1} , mathrm {Mpc} ^ {- 1} , mathrm {Gyr } ^ {- 1} $, o aproximadamente $ -10 ^ {- 17} , mathrm {km} , mathrm {s} ^ {- 2} , mathrm {Mpc} ^ {- 1} $ .

En otras palabras, pasarán aproximadamente mil millones de años antes de que la tasa de expansión disminuya en $ 1 , mathrm {km} , mathrm {s} ^ {- 1} $, y se acerque asintóticamente a unos $ 57 , mathrm {km} , mathrm {s} ^ {- 1} $.

Dado que $ H $ se define como $ (da / dt) , / , a $, donde $ a $ es el factor de escala (el "tamaño" del Universo), una constante $ H $ implica que $ a propto e ^ {Ht} $; es decir, el tamaño del Universo aumenta exponencialmente.


Tiene 1pc = 3.26ly = 3.26 * 300000 * 365.25 * 24 * 3600 km =…

https://en.wikipedia.org/wiki/Parsec

Entonces podrías encontrar fácilmente H0 :)

EDITAR:

Lo siento, he leído rápidamente la pregunta. La tasa de aceleración del universo viene dada por la segunda ecuación de Friedmann Lemaître.

$$ frac { ddot {a}} {a} = - frac {4 pi G} {3} left ( rho + frac {3p} {c ^ 2} right) + frac { Lambda c ^ 2} {3} $$

con $ rho $ yp densidad de los fluidos (materia, energía oscura ...) que considera en el modelo cosmológico (estándar).

https://en.wikipedia.org/wiki/Friedmann_equations

https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerating_expansion_of_the_universe


La aceleración del universo se escribe como $ dot {H} $, donde $ H $ es la Tasa de Hubble (hoy, la Tasa de Hubble recibe el nombre de Constante de Hubble, $ H_0 $, y se le da el valor de 70 km / s / 106ordenador personal). La ecuación de Friedmann se puede simplificar a la forma:

$$ dot {H} + H ^ 2 = - frac {4 pi G} {3} left ( rho + frac {3p} {c ^ 2} right) $$

Donde $ rho $ es la densidad y $ p $ es la presión. $ G $ es la constante gravitacional y $ c ^ 2 $ es la velocidad de la luz.

Ahora, para encontrar la aceleración, simplemente sustituya los valores relevantes en la siguiente ecuación:

$$ dot {H_0} = - frac {4 pi G} {3} left ( rho_0 + frac {3p_0} {c ^ 2} right) - H ^ 2_0 $$

Intentaré encontrar los valores relevantes, pero como dice la respuesta anterior, el valor es aproximadamente $ -10 ^ {- 17} , mathrm {km} , mathrm {s} ^ {- 2} , mathrm {Mpc} ^ {- 1} $


La respuesta de Pela da el valor numérico, pensé que solo explicaría la diferencia entre $ dot {H} $, que es negativa, y una aceleración, que es positiva.

La ecuación de aceleración de Friedmann viene dada por $$ frac { ddot {a}} {a} = - frac {4 pi G} {3} left ( rho + frac {3p} {c ^ 2} derecha) + frac { Lambda c ^ 2} {3}, tag * {(1)} $$ mientras que el parámetro de Hubble se define como $$ H = frac { dot {a}} {a} etiqueta * {(2)} $$

En la ecuación (1), el primer término se vuelve más pequeño con el tiempo, ya que tanto la densidad de materia $ rho $ como la presión $ p $ debida a la materia y la radiación se vuelven más pequeñas. El segundo término debido a la constante cosmológica $ Lambda $ es positivo y eventualmente domina y estamos en ese régimen ahora. Esto es lo que se entiende por un universo en aceleración, donde la segunda derivada del factor de escala $ ddot {a} $ es positiva.

Sin embargo, ha modificado su pregunta para preguntar cuál es la derivada temporal del parámetro de Hubble (¡no constante!). Al diferenciar la ecuación (2) con respecto al tiempo, tenemos $$ dot {H} = frac { ddot {a}} {a} - H ^ 2 $$ $$ dot {H} = - frac { 4 pi G} {3} left ( rho + frac {3p} {c ^ 2} right) + frac { Lambda c ^ 2} {3} - H ^ 2 tag * {(3) } ,. $$

$ dot {H} $ es el gradiente del gráfico que se muestra en la respuesta de Pela y es negativo. Eso es $ H $ cada vez más pequeño. A medida que el universo crece, $ H $ alcanza su valor asintótico cuando $ ddot {a} / a = H ^ 2 $.


El premio Nobel es 'inevitable' por acelerar el descubrimiento del universo, dicen los físicos

Para los tres astrofísicos que ganaron el Premio Nobel de Física hoy (4 de octubre), era solo una cuestión de cuándo, no si, recibirían el premio, dijeron sus pares. Su descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando fue una revelación trascendental que llevó al extraño concepto de energía oscura.

Para un hallazgo tan monumental, dijeron los expertos, el Nobel era inevitable.

"Lo esperábamos desde el día en que se publicó el artículo de investigación en la década de 1990", dijo a SPACE.com el astrofísico Neil deGrasse Tyson, director del Planetario Hayden en el Museo Americano de Historia Natural. "El hecho de que haya un comité en Suecia que esté de acuerdo con lo que hemos sabido todo el tiempo no es una sorpresa para nosotros en la comunidad astrofísica. Es un descubrimiento que es más grande que el premio en sí".

El comité del Premio Nobel anunció hoy la decisión de otorgar el premio de 2011 a Saul Perlmutter del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley Brian Schmidt de la Universidad Nacional Australiana y Adam Riess de la Universidad Johns Hopkins y el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial.

Perlmutter encabezó un equipo y Schmidt y Riess otro. De forma independiente, descubrieron que la expansión del universo con el tiempo se está acelerando, contrariamente a todas las expectativas. [7 cosas sorprendentes sobre el universo]

Los científicos se quedaron rascándose la cabeza con respecto a la causa de esta aceleración de la expansión del universo, lo que no sería posible a menos que hubiera una fuerza que actuara contra la atracción de la gravedad hacia adentro. A esta fuerza la han llamado "energía oscura".

"Todo lo que podemos decir es que hay una entidad que está obligando al universo a acelerar fuera de los deseos de la gravedad", dijo Tyson. "El término 'energía oscura' parece apropiado, pero no sabemos qué es lo que sigue siendo un misterio. El Nobel es por el descubrimiento de este misterio".

Los investigadores, de hecho, se habían propuesto encontrar lo contrario: medir cuánto se estaba desacelerando la expansión del universo, como se esperaba que hiciera debido a la gravedad.

"Querían saber hasta qué punto la gravedad está frenando la expansión del universo y mdash y su rivalidad para 'llegar primero' era feroz", dijo el periodista Richard Panek, quien escribió un libro sobre el descubrimiento llamado "El 4% del universo: Materia oscura, energía oscura y la carrera por descubrir el resto de la realidad "(Houghton Mifflin Harcourt, 2011). "Lo que descubrieron en cambio es que el universo está haciendo lo contrario de lo que esperaban y mdash que la expansión se está acelerando bajo la influencia de alguna fuerza que, en la escala cósmica, está dominando la gravedad. Los científicos quieren atrapar al universo haciendo algo extraño , y lo atraparon haciendo la cosa más extraña de todas ".

La medición alucinante, realizada mediante el estudio de explosiones de estrellas lejanas llamadas supernovas de Tipo 1a que permitió a los investigadores medir con precisión las distancias cósmicas, sacudió a toda la ciencia.

"Fue revolucionario para la física y la cosmología", dijo John Carlstrom, director del Instituto Kavli de Física Cosmológica de la Universidad de Chicago. "La aceleración y que hay algún tipo de energía oscura ahora es ampliamente aceptada por los expertos en el campo. ¡Si tan solo pudiéramos entender qué es realmente la energía oscura! Ese es uno de los mayores misterios de toda la física ".

Otros expertos coincidieron en que la energía oscura revelada por Perlmutter, Schmidt y Riess desempeñará un papel decisivo en la búsqueda de los científicos para comprender el universo en el futuro. [¿Qué es la energía oscura?]

"Podría decirse que comprender la naturaleza de la energía oscura es el mayor desafío al que se enfrenta la física en la actualidad", dijo Mario Livio, un colega de Riess en el Space Telescope Science Institute. "Si bien la energía oscura no ha jugado un papel importante en la evolución del universo en el pasado, jugará el papel dominante en la evolución en el futuro. El destino del universo depende de la naturaleza de la energía oscura. emocionado de que Adam, Saul y Brian ganaran el premio ".

Y la importancia del descubrimiento se extiende incluso más allá del destino de nuestro universo, a la cuestión de si de hecho hay múltiples universos, con diferentes cantidades de energía oscura en cada uno.

"El descubrimiento fue asombroso", dijo la física teórica de la Universidad de Harvard Lisa Randall, autora del nuevo libro "Tocando las puertas del cielo: cómo la física y el pensamiento científico iluminan el universo y el mundo moderno" (Ecco, 2011). "Para muchos, cambió su agenda de investigación. Hablo especialmente de aquellos que trabajan en el 'paisaje' de múltiples universos y el 'principio antrópico' que dice que solo podemos vivir en un universo con una energía oscura tan pequeña".


En 1998 se anunció que la expansión del universo se acelera. ¿Qué implica esto desde la perspectiva del Big Bang?

Después de estudiar la supernova de tipo 1a, los astrónomos han descubierto que el universo no solo se está expandiendo sino que se está acelerando.

Explicación:

Las supernovas de tipo 1a son velas estándar y se pueden usar para calcular distancias donde no se puede usar Cefeida. La razón de una aceleración es la energía oscura y una fuerza desconocida. Esto reduce las posibilidades de un gran crujido.
crédito de picrture en.wikipedia.com.

Las implicaciones de un universo en expansión que se está acelerando es que el universo no se revertirá y nunca detendrá su expansión, por lo que el universo tendrá un final y un comienzo.

Explicación:

Antes de 1998, mucha gente creía que el universo se expandía y contraía eternamente. La llamada teoría de la pelota de goma popularizada por Asimov permitió la creencia en un universo eterno autoexistente. Que el universo se expanda a un ritmo acelerado descarta la teoría de la pelota de goma.

Si el universo tuvo un comienzo y tendrá un final, implica que hay algo más que existe además de nuestro universo que podemos observar.

Una cosmovisión naturalista puramente material (realismo material) exige que algo material debe ser eterno. La evidencia de una expansión acelerada ha dado lugar a teorías de múltiples universos. Universos que están fuera de nuestro universo y no se pueden observar.

La expansión acelerada del universo ha respaldado las opiniones teístas de que existe algo además del realismo material.


El universo se está expandiendo a un ritmo acelerado, ¿o no?

Esta es la región del "Pilar Sur" de la región de formación de estrellas llamada Nebulosa Carina. Como abrir una sandía y encontrar sus semillas, el telescopio infrarrojo "rompió" esta turbia nube para revelar embriones de estrellas escondidos dentro de pilares de polvo espeso con forma de dedos. Crédito: NASA

Hace cinco años, el Premio Nobel de Física se otorgó a tres astrónomos por su descubrimiento, a fines de la década de 1990, de que el universo se está expandiendo a un ritmo acelerado.

Sus conclusiones se basaron en el análisis de las supernovas de Tipo Ia, la espectacular explosión termonuclear de estrellas moribundas, recogidas por el telescopio espacial Hubble y los grandes telescopios terrestres. Condujo a la aceptación generalizada de la idea de que el universo está dominado por una sustancia misteriosa llamada 'energía oscura' que impulsa esta expansión acelerada.

Ahora, un equipo de científicos dirigido por el profesor Subir Sarkar del Departamento de Física de la Universidad de Oxford ha puesto en duda este concepto cosmológico estándar. Haciendo uso de un conjunto de datos enormemente aumentado, un catálogo de 740 supernovas de Tipo Ia, más de diez veces el tamaño de la muestra original, los investigadores han encontrado que la evidencia de la aceleración puede ser más débil de lo que se pensaba anteriormente, y los datos son consistentes con una constante. tasa de expansión.

El estudio se publica en la Naturaleza diario Informes científicos.

El profesor Sarkar, que también ocupa un puesto en el Instituto Niels Bohr en Copenhague, dijo: “El descubrimiento de la expansión acelerada del universo ganó el Premio Nobel, el Premio Gruber de Cosmología y el Premio Breakthrough en Física Fundamental. Condujo a la aceptación generalizada de la idea de que el universo está dominado por "energía oscura" que se comporta como una constante cosmológica; este es ahora el "modelo estándar" de la cosmología.

Sin embargo, ahora existe una base de datos de supernovas mucho más grande en la que realizar análisis estadísticos rigurosos y detallados. Analizamos el último catálogo de 740 supernovas de Tipo Ia, más de diez veces más grandes que las muestras originales en las que se basó la afirmación del descubrimiento, y descubrimos que la evidencia de una expansión acelerada es, a lo sumo, lo que los físicos llaman "3 sigma". Esto está muy por debajo del estándar de "5 sigma" requerido para reclamar un descubrimiento de importancia fundamental.

«Un ejemplo análogo en este contexto sería la sugerencia reciente de una nueva partícula con un peso de 750 GeV basada en datos del Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Inicialmente tuvo una importancia aún mayor (3.9 y 3.4 sigma en diciembre del año pasado) y estimuló más de 500 artículos teóricos. Sin embargo, se anunció en agosto que los nuevos datos muestran que la importancia ha caído a menos de 1 sigma. Fue solo una fluctuación estadística y no existe tal partícula ''.

Hay otros datos disponibles que parecen apoyar la idea de un universo en aceleración, como la información sobre el fondo cósmico de microondas, el tenue resplandor del Big Bang, del satélite Planck. Sin embargo, el profesor Sarkar dijo: “Todas estas pruebas son indirectas, se llevan a cabo en el marco de un modelo supuesto, y el fondo cósmico de microondas no se ve afectado directamente por la energía oscura. De hecho, hay un efecto sutil, el efecto Sachs-Wolfe de integración tardía, pero esto no se ha detectado de manera convincente.

Por lo tanto, es muy posible que nos estén engañando y que la aparente manifestación de la energía oscura sea una consecuencia del análisis de los datos en un modelo teórico demasiado simplificado, uno que de hecho se construyó en la década de 1930, mucho antes de que existieran datos reales. Un marco teórico más sofisticado que dé cuenta de la observación de que el universo no es exactamente homogéneo y que su contenido de materia puede no comportarse como un gas ideal (dos supuestos clave de la cosmología estándar) bien podría dar cuenta de todas las observaciones sin requerir energía oscura. De hecho, la energía del vacío es algo de lo que no tenemos absolutamente ningún entendimiento en la teoría fundamental. '

El profesor Sarkar agregó: “Naturalmente, será necesario mucho trabajo para convencer a la comunidad física de esto, pero nuestro trabajo sirve para demostrar que un pilar clave del modelo cosmológico estándar es bastante inestable. Es de esperar que esto motive mejores análisis de los datos cosmológicos, además de inspirar a los teóricos a investigar modelos cosmológicos más matizados. Se logrará un progreso significativo cuando el Telescopio Europeo Extremadamente Grande realice observaciones con un "peine láser" ultrasensible para medir directamente durante un período de diez a 15 años si la tasa de expansión se está acelerando realmente '.


Resolviendo uno de los grandes acertijos de la naturaleza: ¿Qué impulsa la expansión acelerada del universo?

Los físicos de la UBC pueden haber resuelto uno de los grandes acertijos de la naturaleza: ¿qué causa la expansión acelerada de nuestro universo?

El estudiante de doctorado Qingdi Wang ha abordado esta cuestión en un nuevo estudio que intenta resolver un importante problema de incompatibilidad entre dos de las teorías más exitosas que explican cómo funciona nuestro universo: la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad general de Einstein.

El estudio sugiere que si nos acercáramos al universo, nos daríamos cuenta de que está formado por espacio y tiempo en constante fluctuación.

"El espacio-tiempo no es tan estático como parece, se mueve constantemente", dijo Wang.

"Esta es una idea nueva en un campo donde no ha habido muchas ideas nuevas que intenten abordar este problema", dijo Bill Unruh, profesor de física y astronomía que supervisó el trabajo de Wang.

En 1998, los astrónomos descubrieron que nuestro universo se expande a un ritmo cada vez mayor, lo que implica que el espacio no está vacío y, en cambio, está lleno de energía oscura que aleja la materia.

El candidato más natural para la energía oscura es la energía del vacío. Cuando los físicos aplican la teoría de la mecánica cuántica a la energía del vacío, predice que habría una densidad increíblemente grande de energía del vacío, mucho más que la energía total de todas las partículas del universo. Si esto es cierto, la teoría de la relatividad general de Einstein sugiere que la energía tendría un fuerte efecto gravitacional y la mayoría de los físicos piensan que esto provocaría la explosión del universo.

Afortunadamente, esto no sucede y el universo se expande muy lentamente. Pero es un problema que debe resolverse para que avance la física fundamental.

A diferencia de otros científicos que han intentado modificar las teorías de la mecánica cuántica o la relatividad general para resolver el problema, Wang y sus colegas Unruh y Zhen Zhu, también estudiante de doctorado de la UBC, sugieren un enfoque diferente. Se toman en serio la gran densidad de energía del vacío predicha por la mecánica cuántica y descubren que hay información importante sobre la energía del vacío que faltaba en los cálculos anteriores.

Sus cálculos proporcionan una imagen física del universo completamente diferente. En esta nueva imagen, el espacio en el que vivimos está fluctuando enormemente. En cada punto, oscila entre expansión y contracción. A medida que oscila hacia adelante y hacia atrás, los dos casi se cancelan entre sí, pero un efecto neto muy pequeño hace que el universo se expanda lentamente a un ritmo acelerado.

Pero si el espacio y el tiempo fluctúan, ¿por qué no podemos sentirlo?

"Esto sucede a escalas muy pequeñas, miles de millones y miles de millones de veces más pequeñas incluso que un electrón", dijo Wang.

"Es similar a las olas que vemos en el océano", dijo Unruh. "No se ven afectados por la intensa danza de los átomos individuales que forman el agua sobre la que viajan esas olas".


Explicando la expansión acelerada del universo sin energía oscura.

La enigmática energía oscura, que se cree que constituye el 68% del universo, puede no existir en absoluto, según un equipo húngaro-estadounidense. Los investigadores creen que los modelos estándar del universo no toman en cuenta su estructura cambiante, pero que una vez hecho esto, la necesidad de energía oscura desaparece. El equipo publica sus resultados en un artículo en Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

Nuestro universo se formó en el Big Bang, hace 13.800 millones de años, y se ha estado expandiendo desde entonces. La pieza clave de evidencia de esta expansión es la ley de Hubble, basada en observaciones de galaxias, que establece que, en promedio, la velocidad con la que una galaxia se aleja de nosotros es proporcional a su distancia.

Los astrónomos miden esta velocidad de recesión observando líneas en el espectro de una galaxia, que se desplazan más hacia el rojo cuanto más rápido se aleja la galaxia. Desde la década de 1920, el mapeo de las velocidades de las galaxias llevó a los científicos a concluir que todo el universo se está expandiendo y que comenzó su vida como un punto diminuto que se desvanece.

En la segunda mitad del siglo XX, los astrónomos encontraron evidencia de materia "oscura" invisible al observar que se necesitaba algo adicional para explicar el movimiento de las estrellas dentro de las galaxias. Ahora se cree que la materia oscura constituye el 27% del contenido del universo (en contraste, la materia "ordinaria" asciende a solo el 5%).

Las observaciones de las explosiones de estrellas enanas blancas en sistemas binarios, las llamadas supernovas de Tipo Ia, en la década de 1990 llevaron a los científicos a la conclusión de que un tercer componente, la energía oscura, constituía el 68% del cosmos y es responsable de impulsar un aceleración en la expansión del universo.

En el nuevo trabajo, los investigadores, dirigidos por el estudiante de doctorado G & aacutebor R & aacutecz de E & oumltv & oumls Lor & aacutend University en Hungría, cuestionan la existencia de la energía oscura y sugieren una explicación alternativa. Argumentan que los modelos convencionales de cosmología (el estudio del origen y la evolución del universo) se basan en aproximaciones que ignoran su estructura y donde se supone que la materia tiene una densidad uniforme.

"Las ecuaciones de la relatividad general de Einstein que describen la expansión del universo son tan complejas matemáticamente que durante cien años no se han encontrado soluciones que expliquen el efecto de las estructuras cósmicas. Sabemos por observaciones muy precisas de supernovas que el universo se está acelerando, pero en al mismo tiempo, confiamos en aproximaciones burdas a las ecuaciones de Einstein que pueden introducir efectos secundarios graves, como la necesidad de energía oscura, en los modelos diseñados para ajustarse a los datos de observación ". explica el Dr. L & aacuteszl & oacute Dobos, coautor del artículo, también en E & oumltv & oumls Lor & aacutend University.

En la práctica, la materia normal y oscura parece llenar el universo con una estructura similar a una espuma, donde las galaxias se ubican en las paredes delgadas entre las burbujas y se agrupan en supercúmulos. En contraste, el interior de las burbujas está casi vacío de ambos tipos de materia.

Usando una simulación por computadora para modelar el efecto de la gravedad en la distribución de millones de partículas de materia oscura, los científicos reconstruyeron la evolución del universo, incluida la agrupación temprana de materia y la formación de estructuras a gran escala.

A diferencia de las simulaciones convencionales con un universo en expansión suave, tener en cuenta la estructura condujo a un modelo en el que diferentes regiones del cosmos se expanden a un ritmo diferente. Sin embargo, la tasa de expansión promedio es consistente con las observaciones actuales, que sugieren una aceleración general.

El Dr. Dobos agrega: "La teoría de la relatividad general es fundamental para comprender la forma en que evoluciona el universo. No cuestionamos su validez, cuestionamos la validez de las soluciones aproximadas. Nuestros hallazgos se basan en una conjetura matemática que permite la expansión diferencial del espacio, consistentes con la relatividad general, y muestran cómo la formación de estructuras complejas de la materia afecta la expansión. Estos temas fueron previamente barridos bajo la alfombra, pero tomarlos en cuenta puede explicar la aceleración sin la necesidad de energía oscura ".

Si se mantiene este hallazgo, podría tener un impacto significativo en los modelos del universo y la dirección de la investigación en física. Durante los últimos 20 años, astrónomos y físicos teóricos han especulado sobre la naturaleza de la energía oscura, pero sigue siendo un misterio sin resolver. Con el nuevo modelo, el equipo espera como mínimo iniciar un animado debate.


Presione soltar

& # 8220Algunos dicen que el mundo terminará en fuego, algunos dicen que en hielo & # 8230 & # 8221 *
¿Cuál será el destino final del Universo? Probablemente terminará en hielo, si vamos a creer en los premios Nobel de Física de este año. Han estudiado varias docenas de estrellas en explosión, llamadas supernovas, y han descubierto que el Universo se está expandiendo a un ritmo cada vez más acelerado. El descubrimiento fue una completa sorpresa incluso para los mismos Laureados.

En 1998, la cosmología se sacudió en sus cimientos cuando dos equipos de investigación presentaron sus hallazgos. Encabezado por Saul Perlmutter, uno de los equipos se puso a trabajar en 1988. Brian Schmidt encabezó otro equipo, lanzado a finales de 1994, donde Adam Riess iba a desempeñar un papel crucial.

Los equipos de investigación se apresuraron a mapear el Universo localizando las supernovas más distantes. Telescopios más sofisticados en tierra y en el espacio, así como computadoras más potentes y nuevos sensores de imágenes digitales (CCD, Premio Nobel de Física en 2009), abrieron la posibilidad en la década de 1990 de agregar más piezas al rompecabezas cosmológico.

Los equipos utilizaron un tipo particular de supernova, llamada supernova de tipo Ia. Es una explosión de una vieja estrella compacta que es tan pesada como el Sol pero tan pequeña como la Tierra. Una sola supernova de este tipo puede emitir tanta luz como una galaxia entera. En total, los dos equipos de investigación encontraron más de 50 supernovas distantes cuya luz era más débil de lo esperado y esto era una señal de que la expansión del Universo se estaba acelerando. Los peligros potenciales habían sido numerosos, y los científicos encontraron tranquilidad en el hecho de que ambos grupos habían llegado a la misma asombrosa conclusión.

Durante casi un siglo, se ha sabido que el Universo se está expandiendo como consecuencia del Big Bang de hace unos 14 mil millones de años. Sin embargo, el descubrimiento de que esta expansión se está acelerando es asombroso. Si la expansión continúa acelerándose, el Universo terminará en hielo.

Se cree que la aceleración está impulsada por la energía oscura, pero lo que es esa energía oscura sigue siendo un enigma y quizás el mayor de la física actual. Lo que se sabe es que la energía oscura constituye aproximadamente las tres cuartas partes del Universo. Por lo tanto, los hallazgos de los premios Nobel de Física 2011 han ayudado a develar un Universo que en gran medida es desconocido para la ciencia. Y todo vuelve a ser posible.

Leer más sobre este año y el premio n. ° 8217

Saul Perlmutter, Ciudadano estadounidense. Nacido en 1959 en Champaign-Urbana, IL, EE. UU. Doctor. 1986 de la Universidad de California, Berkeley, EE. UU. Jefe del Proyecto de Cosmología de Supernovas, Profesor de Astrofísica, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y Universidad de California, Berkeley, CA, EE. UU.
www.physics.berkeley.edu/research/faculty/perlmutter.html

Brian P. Schmidt, Ciudadano estadounidense y australiano. Nacido en 1967 en Missoula, MT, EE. UU. Doctor. 1993 de la Universidad de Harvard, Cambridge, MA, EE. UU. Jefe del equipo de búsqueda de supernovas High-z, profesor distinguido, Universidad Nacional de Australia, Weston Creek, Australia.
msowww.anu.edu.au/

Adam G. Riess, Ciudadano estadounidense. Nacido en 1969 en Washington, DC, Estados Unidos. Doctor. 1996 de la Universidad de Harvard, Cambridge, MA, EE. UU. Profesor de Astronomía y Física, Universidad Johns Hopkins y Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, MD, EE. UU.
www.stsci.edu/

Importe del premio: 10 millones de coronas suecas, la mitad para Saul Perlmutter y la otra mitad para repartir equitativamente entre Brian Schmidt y Adam Riess.

Personas de contacto: Erik Huss, Responsable de prensa, teléfono +46 8673 95 44, móvil +46 70673 96 50, [email protected]
Annika Moberg, Editora, Teléfono +46 8673 95 22, Móvil +46 70673 96 90, [email protected]

* Robert Frost, Fuego y hielo, 1920

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La Real Academia de Ciencias de Suecia, fundada en 1739, es una organización independiente cuyo objetivo general es promover las ciencias y fortalecer su influencia en la sociedad. La Academia asume una responsabilidad especial por las ciencias naturales y las matemáticas, pero se esfuerza por promover el intercambio de ideas entre varias disciplinas.

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Premios Nobel 2020

Doce galardonados fueron galardonados con el Premio Nobel en 2020, por los logros que han conferido el mayor beneficio a la humanidad.

Su trabajo y descubrimientos van desde la formación de agujeros negros y tijeras genéticas hasta los esfuerzos para combatir el hambre y desarrollar nuevos formatos de subastas.


Hubble confirma la aceleración cósmica con lentes débiles

Un nuevo estudio dirigido por científicos europeos presenta el análisis más completo de datos de la encuesta más ambiciosa jamás realizada por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA. Estos investigadores, por primera vez, han utilizado datos de Hubble para sondear los efectos de las "lentes débiles" gravitacionales naturales en el espacio y caracterizar la expansión del Universo.

Un grupo de astrónomos [1], dirigido por Tim Schrabback del Observatorio de Leiden, llevó a cabo un estudio intensivo de más de 446 000 galaxias dentro del campo COSMOS, el resultado de la encuesta más grande jamás realizada con Hubble. Al hacer la encuesta COSMOS, Hubble fotografió 575 vistas ligeramente superpuestas de la misma parte del Universo utilizando la Cámara Avanzada para Encuestas (ACS) a bordo del Hubble. Se necesitaron casi 1000 horas de observaciones.

Además de los datos del Hubble, los investigadores utilizaron datos de corrimiento al rojo [2] de telescopios terrestres para asignar distancias a 194 000 de las galaxias estudiadas (hasta un corrimiento al rojo de 5). "La gran cantidad de galaxias incluidas en este tipo de análisis no tiene precedentes, pero lo más importante es la gran cantidad de información que pudimos obtener sobre las estructuras invisibles en el Universo a partir de este excepcional conjunto de datos."dice el coautor Patrick Simon de la Universidad de Edimburgo.

En particular, los astrónomos podrían "sopesar" la distribución de materia a gran escala en el espacio a grandes distancias. Para hacer esto, hicieron uso del hecho de que esta información está codificada en las formas distorsionadas de galaxias distantes, un fenómeno conocido como lente gravitacional débil [3]. Utilizando complejos algoritmos, el equipo dirigido por Schrabback ha mejorado el método estándar y ha obtenido mediciones de la forma de las galaxias con una precisión sin precedentes. Los resultados del estudio se publicarán en un próximo número de Astronomy and Astrophysics.

La meticulosidad y la escala de este estudio permiten una confirmación independiente de que la expansión del Universo es acelerada por un componente misterioso adicional llamado energía oscura. Existe un puñado de otras confirmaciones independientes similares. Los científicos necesitan saber cómo evolucionó la formación de grupos de materia en la historia del Universo para determinar cómo la fuerza gravitacional, que mantiene unida la materia, y la energía oscura, que la separa al acelerar la expansión del Universo, los han afectado. "La energía oscura afecta nuestras medidas por dos razones. Primero, cuando está presente, los cúmulos de galaxias crecen más lentamente y, en segundo lugar, cambia la forma en que el Universo se expande, lo que lleva a galaxias más distantes y con lentes más eficientes. Nuestro análisis es sensible a ambos efectos,"dice el coautor Benjamin Joachimi de la Universidad de Bonn".Nuestro estudio también proporciona una confirmación adicional para la teoría de la relatividad general de Einstein, que predice cómo la señal de la lente depende del corrimiento al rojo,", añade el co-investigador Martin Kilbinger del Institut d'Astrophysique de Paris y el Excellence Cluster Universe.

La gran cantidad de galaxias incluidas en este estudio, junto con la información sobre sus desplazamientos al rojo, está conduciendo a un mapa más claro de cómo, exactamente, parte del Universo está distribuida, nos ayuda a ver sus habitantes galácticos y cómo se distribuyen. "Con información más precisa sobre las distancias a las galaxias, podemos medir la distribución de la materia entre ellas y nosotros con mayor precisión,"señala el co-investigador Jan Hartlap de la Universidad de Bonn".Antes, la mayoría de los estudios se realizaban en 2D, como tomar una radiografía de tórax. Nuestro estudio se parece más a una reconstrucción en 3D del esqueleto a partir de una tomografía computarizada. Además de eso, podemos ver el esqueleto de materia oscura madurar desde la juventud del Universo hasta el presente,"comenta William High de la Universidad de Harvard, otro coautor.

Los astrónomos eligieron específicamente la encuesta COSMOS porque se cree que es una muestra representativa del Universo. Con estudios exhaustivos como el dirigido por Schrabback, los astrónomos algún día podrán aplicar su técnica a áreas más amplias del cielo, formando una imagen más clara de lo que realmente existe.

Notas

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación internacional entre la ESA y la NASA.

[1] El equipo internacional de astrónomos en este estudio fue dirigido por Tim Schrabback de la Universidad de Leiden. Other collaborators included: J. Hartlap (University of Bonn), B. Joachimi (University of Bonn), M. Kilbinger (IAP), P. Simon (University of Edinburgh), K. Benabed (IAP), M. Bradac (UCDavis), T. Eifler (University of Bonn), T. Erben (University of Bonn), C. Fassnacht (University of California, Davis), F. W. High(Harvard), S. Hilbert (MPA), H. Hildebrandt (Leiden Observatory), H. Hoekstra (Leiden Observatory), K. Kuijken (Leiden Observatory), P. Marshall (KIPAC), Y. Mellier (IAP), E. Morganson (KIPAC), P. Schneider (University of Bonn), E. Semboloni (University of Bonn), L. Van Waerbeke (UBC) and M. Velander (Leiden Observatory).

[2] In astronomy, the redshift denotes the fraction by which the lines in the spectrum of an object are shifted towards longer wavelengths due to the expansion of the Universe. The observed redshift of a remote galaxy provides an estimate of its distance. In this study the researchers used redshift information computed by the COSMOS team, who also obtained the HST data (PI: N. Scoville, http://ukads.nottingham.ac.uk/abs/2007ApJS..172. 38S), based on observations from the SUBARU, CFHT, UKIRT, Spitzer, GALEX, NOAO, VLT, and Keck telescopes (http://ukads.nottingham.ac.uk/abs/2009ApJ. 690.1236I).

[3]Weak gravitational lensing: The phenomenon of gravitational lensing is the warping of spacetime by the gravitational field of a concentration of matter, such as a galaxy cluster. When light rays from distant background galaxies pass this matter concentration, their path is bent and the galaxy images are distorted. In the case of weak lensing, these distortions are small, and must be measured statistically. This analysis provides a direct estimate for the strength of the gravitational field, and therefore the mass of the matter concentration. When determining precise shapes of galaxies, astronomers have to deal with three main factors: the intrinsic shape of the galaxy (which is unknown), the gravitational lensing effect they want to measure, and systematic effects caused by the telescope and camera, as well as the atmosphere, in case of ground-based observations.

Image credit: NASA, ESA, P. Simon (University of Bonn) and T. Schrabback (Leiden Observatory)


How Long Has The Universe Been Accelerating?

Perhaps the biggest discovery about the Universe in the last generation came at the very end of the 20th century, when we uncovered one of the most disconcerting cosmic truths: the distant galaxies, as time goes on, aren't just receding from us, they're speeding up as they move away from us. The discovery of the accelerated expansion of the Universe, by the Supernova Cosmology Project and the High-z Supernova Search Team, was awarded the 2011 Nobel Prize in Physics, but is one of the most bizarre and unexplained phenomena in the Universe. The thing is, the Universe wasn't siempre accelerating away from us like this. For billions of years, the expansion was slowing down, and to someone alive ten billion years ago, it might have looked like it could recollapse. Let's take a look at what happened, and how we know.

Image credit: Miguel Quartin, Valerio Marra and Luca Amendola, Phys. Rev. D, via . [+] http://astrobites.org/2014/01/15/from-nuisance-to-science-gravitational-lensing-of-supernovae/.

In the 1920s, four pieces of evidence -- three observational and one theoretical -- combined to teach us that the Universe was expanding. They were:

This led to a picture of the Universe as early as 1929 where the Universe was hotter, denser, and expanding more rapidly in the past, and was getting cooler, less dense, and where the expansion rate was slowing down as time went on.

Image credit: ESA/Hubble & NASA, of galaxy cluster LCDS-0829.

This makes sense, if you think about it in the context of the Big Bang. Imagine the Big Bang as the starting gun of a great cosmic race, a race between the initial expansion on one hand, which starts off incredibly rapid, and between gravitation on the other hand, which works to pull everything back together. You can easily imagine three different possibilities, each of which results in a different fate for the Universe:

  • A Big Crunch.Perhaps the initial expansion rate is fast, but over time, the force that gravity exerts turns out to be stronger. The expansion rate would slow down and then cease. The Universe would reach a maximum size and then begin contracting. And finally, it would recollapse, imploding in a state that was essentially the Big Bang in reverse.
  • A Big Freeze. This is the opposite scenario: where the expansion starts off fast, and gravity works to slow it down, but is insufficient. The expansion continues at a rapid rate for all eternity, with gravity working to slow it down the whole time, but never succeeding in bringing it to a stop. This scenario is known as the heat death of the Universe, or the Big Freeze.
  • A Critical Universe. There's also the possibility that you're right on the edge of the two, where the expansion rate and gravity balance each other perfectly, and the expansion rate slows over time and asymptotes towards zero. If there were just one more o one fewer particle in the Universe, you’d get either the first or second scenario above instead, but that particle isn't there. This "critical Universe" scenario results in the slowest possible heat death imaginable.

For billions of years, it looked like the critical case was going to win. You see, when you live in the Universe and look out at the different galaxies, you can measure not only what the expansion rate is hoy, but by looking at the more distant galaxies, you can measure what the expansion rate used to be earlier in the Universe's history.

Image credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI). The GOODS-North survey, shown here, contains some of . [+] the most distant galaxies ever observed, a great many of which are already unreachable by us.

So for billions of years -- about seven billion, to be more precise -- it looked like we lived in a critical Universe. The expansion began dominated by radiation (photons and neutrinos), and then it cooled enough that matter (both normal and dark matter, combined) became dominant. As the Universe continued to expand, the matter density dropped and dropped, since matter density is just mass (which is a constant) over volume (which is increasing).

But at some point, the matter density dropped to such a low value that otro, more subtle contribution to the Universe's energy density began to show up: dark energy. At around seven billion years of age, dark energy's value reached a few percent that of the total energy density, and by time the Universe was 7.8 billion years old, the dark energy density reached a very important value: 33% of the total energy density in the Universe. That's an important value, because that's the amount of dark energy necessary -- in a Universe otherwise filled with matter -- to cause the expansion rate to begin accelerating!

Image credit: NASA & ESA, via http://www.spacetelescope.org/images/opo9919k/.

Since that time, some 6 billion years ago, the matter density has continued to drop, while dark energy has remained a constant. At present, dark energy makes up some 68% of the total energy in the Universe, with matter having dropped to be about 32% total (27% dark matter and 5% normal matter). As time goes on in the future, the matter density will continue to drop, while the dark energy density will remain constant, meaning dark energy becomes more and more dominant.

Image credit: E. Siegel, of the various energy density fractions that the Universe is composed of at . [+] various points in its past.

For individual galaxies, that means that a galaxy that began receding from us quickly at the moment of the Big Bang would have seen its apparent recession speed slow down from our perspective for the first 7.8 billion years. At that moment, the recession speed would have stopped slowing, and would have remained constant for a brief while. And ever since then, it would have sped up, receding ever faster as the space between ourselves and the distant galaxies expands at an ever increasing rate. At some point -- and frighteningly, this is already true for 97% of the galaxies in our visible Universe -- each and every galaxy beyond our local group will appear to recede at a speed greater than the speed of light, making it forever unreachable by us due to the limitations of physics.

Image credit: E. Siegel, based on work by Wikimedia Commons users Azcolvin 429 and Frédéric . [+] MICHEL.

The Universe has always, as far as we can tell, had the amount of dark energy it has today inherent to space itself. But it took 7.8 billion years, or the entire Universe's history up until about 1.5 billion years before our Solar System formed, for the matter density to drop to such a point that dark energy came to dominate the Universe's expansion. Ever since then, all the galaxies beyond our local group have been accelerating away from us, and will continue to do so until the very last one is gone. The Universe has been accelerating for the past six billion years, and if we had come along sooner than that, we might never have considered an option beyond the three possibilities our intuition would have led us to. Instead, we get to perceive and draw conclusions about the Universe exactly as it is, and that's perhaps the greatest reward of all.


Cosmologists Present Explanation For Accelerating Expansion Of The Universe

Why is the universe expanding at an accelerating rate, spreading its contents over ever greater dimensions of space? An original solution to this puzzle, certainly the most fascinating question in modern cosmology, has been put forward by four theoretical physicists, Edward W. Kolb of the U.S. Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory, Chicago (USA): Sabino Matarrese of the University of Padova Alessio Notari from the University of Montreal (Canada) and Antonio Riotto of INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) of Padova (Italy). Their study has been submitted to the journal Physical Review Letters.

Over the last hundred years, the expansion of the universe has been a subject of passionate discussion, engaging the most brilliant minds of the century. Like his contemporaries, Albert Einstein initially thought that the universe was static: that it neither expanded nor shrank. When his own Theory of General Relativity clearly showed that the universe should expand or contract, Einstein chose to introduce a new ingredient into his theory. His "cosmological constant" represented a mass density of empty space that drove the universe to expand at an ever-increasing rate.

When in 1929 Edwin Hubble proved that the universe is in fact expanding, Einstein repudiated his cosmological constant, calling it "the greatest blunder of my life." Then, almost a century later, physicists resurrected the cosmological constant in a variant called dark energy. In 1998, observations of very distant supernovae demonstrated that the universe is expanding at an accelerating rate. This accelerating expansion seemed to be explicable only by the presence of a new component of the universe, a "dark energy," representing some 70 percent of the total mass of the universe. Of the rest, about 25 percent appears to be in the form of another mysterious component, dark matter while only about 5 percent comprises ordinary matter, those quarks, protons, neutrons and electrons that we and the galaxies are made of.

"The hypothesis of dark energy is extremely fascinating," explains Padova's Antonio Riotto, "but on the other hand it represents a serious problem. No theoretical model, not even the most modern, such as supersymmetry or string theory, is able to explain the presence of this mysterious dark energy in the amount that our observations require. If dark energy were the size that theories predict, the universe would have expanded with such a fantastic velocity that it would have prevented the existence of everything we know in our cosmos."

The requisite amount of dark energy is so difficult to reconcile with the known laws of nature that physicists have proposed all manner of exotic explanations, including new forces, new dimensions of spacetime, and new ultralight elementary particles. However, the new report proposes no new ingredient for the universe, only a realization that the present acceleration of the universe is a consequence of the standard cosmological model for the early universe: inflation.

"Our solution to the paradox posed by the accelerating universe," Riotto says, "relies on the so-called inflationary theory, born in 1981. According to this theory, within a tiny fraction of a second after the Big Bang, the universe experienced an incredibly rapid expansion. This explains why our universe seems to be very homogeneous. Recently, the Boomerang and WMAP experiments, which measured the small fluctuations in the background radiation originating with the Big Bang, confirmed inflationary theory.

It is widely believed that during the inflationary expansion early in the history of the universe, very tiny ripples in spacetime were generated, as predicted by Einstein's theory of General Relativity. These ripples were stretched by the expansion of the universe and extend today far beyond our cosmic horizon, that is over a region much bigger than the observable universe, a distance of about 15 billion light years. In their current paper, the authors propose that it is the evolution of these cosmic ripples that increases the observed expansion of the universe and accounts for its acceleration.

"We realized that you simply need to add this new key ingredient, the ripples of spacetime generated during the epoch of inflation, to Einstein's General Relativity to explain why the universe is accelerating today," Riotto says. "It seems that the solution to the puzzle of acceleration involves the universe beyond our cosmic horizon. No mysterious dark energy is required."

Fermilab's Kolb called the authors' proposal the most conservative explanation for the accelerating universe. "It requires only a proper accounting of the physical effects of the ripples beyond our cosmic horizon," he said.

Data from upcoming experiments will allow cosmologists to test the proposal. "Whether Einstein was right when he first introduced the cosmological constant, or whether he was right when he later refuted the idea will soon be tested by a new round of precision cosmological observations," Kolb said. "New data will soon allow us to distinguish between our explanation for the accelerated expansion of the universe and the dark energy solution."

INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), Italy's national nuclear physics institute, supports, coordinates and carries out scientific research in subnuclear, nuclear and astroparticle physics and is involved in developing relevant technologies.

Fermilab, in Batavia, Illinois, USA, is operated by Universities Research Association, Inc. for the Department of Energy's Office of Science, which funds advanced research in particle physics and cosmology.