Las ecuaciones de Einstein podrían explicar el universo sin necesidad de energía oscura

Un reciente estudio realizado por matemáticos de la Universidad de California, Davis ha planteado un desafío significativo a una de las explicaciones más aceptadas en la cosmología moderna: la idea de que la energía oscura es la responsable de la aceleración de la expansión del universo.

Los investigadores publicaron sus hallazgos en la revista Proceedings of the Royal Society A, donde argumentaron que existe una inestabilidad fundamental en el modelo estándar del universo en expansión. Sus cálculos sugieren que la aceleración cósmica podría surgir de manera natural a partir de las ecuaciones de Einstein, lo que podría eliminar la necesidad de invocar la enigmática energía oscura.

Este trabajo desafía el modelo de Lambda-cold dark matter, que es el marco principal que los científicos utilizan para describir la evolución del universo desde el Big Bang. Los investigadores llegaron a esta conclusión al estudiar las ecuaciones de Einstein-Euler, que combinan la teoría de la relatividad general de Einstein con ecuaciones que describen el comportamiento de fluidos. Estas herramientas matemáticas ayudan a los científicos a investigar desde galaxias y agujeros negros hasta la expansión del cosmos.

Una inestabilidad oculta en el modelo del universo

Para explicar el problema, Blake Temple, autor principal del estudio y profesor emérito de matemáticas en UC Davis, ofreció una comparación simple: un lápiz equilibrado verticalmente sobre su punta.

"Todas las fuerzas están en equilibrio cuando un lápiz está de pie, por lo que es una 'solución de las ecuaciones'," dijo. "Pero es inestable. Cualquier soplo de aire y se cae."

Según Temple, el análisis matemático del equipo mostró que los espacios de Friedmann, que forman la base de los modelos convencionales de expansión cósmica, son inestables tanto a pequeñas como a grandes escalas en el contexto del Big Bang. Describió la solución estándar como excepcionalmente inestable.

"Las soluciones inestables en física y ciencia se consideran no físicas", indicó Temple. "Nunca las observarás en la naturaleza".

Esta inestabilidad podría tener consecuencias de gran alcance. Si el universo evoluciona naturalmente alejándose del comportamiento predicho por estos modelos convencionales, su expansión acelerada podría no requerir una forma separada de energía para explicarlo. En cambio, Temple argumentó que la respuesta podría estar contenida dentro de la teoría original de gravedad de Einstein.

"La inestabilidad de todos los espacios de Friedmann hacia la expansión acelerada sugiere una explicación más simple y natural para la aceleración del universo que la energía oscura," afirmó.

Por qué los científicos creen que la energía oscura está expandiendo el universo

Durante casi tres décadas, la energía oscura ha sido la principal explicación para uno de los descubrimientos más desconcertantes de la astronomía: el universo no solo se está expandiendo, sino que su expansión está acelerando.

El concepto tiene raíces en la revolucionaria teoría de la relatividad general de Einstein de 1915, que describe la gravedad como la curvatura del espacio y el tiempo. Einstein originalmente creía que el universo era estático, ni expandiéndose ni contrayéndose. Para que sus ecuaciones fueran compatibles con esa suposición, introdujo un término matemático que contrarrestaba la gravedad, llamándolo la "constante cosmológica".

Esta suposición cambió después de que Edwin Hubble descubriera evidencia en 1929 de que el universo se estaba expandiendo. Einstein se refirió a su introducción de la constante cosmológica como su "mayor error", ya que sus ecuaciones originales sin el término adicional podrían haber predicho un universo en expansión.

La constante cosmológica volvió a cobrar protagonismo en la década de 1990, cuando los astrónomos descubrieron que la expansión cósmica estaba acelerándose. Se asoció estrechamente con la energía oscura, el nombre dado al componente desconocido que se pensaba responsable de esta aceleración.

El marco cosmológico estándar actual se basa en el universo de Friedmann, una descripción matemática en la que el espacio se expande mientras la materia permanece distribuida uniformemente a través del cosmos en un momento dado. Esta suposición de uniformidad a gran escala juega un papel central en cómo los científicos reconstruyen la historia del universo.

Sin embargo, Temple y sus colaboradores comenzaron a cuestionar si las matemáticas subyacentes podían permanecer estables, lo que los llevó a investigar otras posibles explicaciones para la aceleración observada.

¿Podrían las ecuaciones de Einstein explicar la aceleración cósmica?

Los investigadores inicialmente consideraron si una onda de choque masiva podría ayudar a explicar la expansión del universo y la aceleración inesperada asociada con ella.

"Nuestra primera idea fue que tal vez el universo se estaba expandiendo porque había una onda de choque, y la aceleración anómala era la ola expansiva detrás de esa onda de choque," dijo Temple. "Luego nos dimos cuenta de que hay una familia de soluciones auto-similares durante la época de radiación del Big Bang, que podrían modelar esa ola expansiva."

En matemáticas y física, las soluciones auto-similares describen patrones que mantienen su estructura subyacente cuando se observan a diferentes escalas. Un ejemplo familiar es un fractal, en el que formas similares pueden aparecer a tamaños cada vez mayores o menores.

Los investigadores identificaron una familia de estas soluciones asociadas con el período dominado por la radiación en el universo temprano, cuando la radiación desempeñó un papel importante en determinar cómo evolucionó el cosmos.

Basándose en su trabajo anterior, utilizaron una forma auto-similar de las ecuaciones de Einstein para representar el modelo cosmológico estándar como un punto de reposo, un estado matemático en el que las variables definitorias del sistema permanecen sin cambios. Este enfoque les permitió examinar si pequeñas desviaciones de ese estado desaparecerían o crecerían con el tiempo.

Su análisis proporcionó un marco matemático para evaluar la estabilidad del modelo estándar y, más ampliamente, de los espacios de Friedmann durante la era dominada por la materia del universo temprano, cuando la materia se volvió más influyente que la radiación.

Un desafío matemático al modelo estándar del Big Bang

Los resultados sugieren que las descripciones matemáticas convencionales del universo en expansión son vulnerables a perturbaciones que crecen en lugar de desvanecerse.

"Demostramos que, al igual que el modelo estático de Einstein, los espacios de Friedmann son todos inestables ante perturbaciones radiales a grandes escalas," dijo Temple. "Esto parece descartar el modelo de Lambda-cold dark matter como una solución viable y estable de las ecuaciones de Einstein de la relatividad general, con o sin energía oscura."

Las perturbaciones radiales son alteraciones que cambian con la distancia desde un punto central. En el marco matemático de los investigadores, tales cambios pueden hacer que el comportamiento de un universo en expansión se desvíe de las predicciones del modelo estándar de Friedmann.

"Esto significa," agregó, "que el Big Bang debería verse genéricamente exactamente como un espacio de Friedmann cerca del centro de simetría, pero genéricamente uno debería observar aceleraciones alejándose de Friedmann lejos del centro."

En otras palabras, el universo podría comportarse de manera muy similar a lo que predice el modelo estándar cerca de una región central, mientras que exhibe un comportamiento de expansión diferente más lejos.

Los investigadores argumentan que esta inestabilidad puede ofrecer una ruta natural hacia la expansión cósmica acelerada sin añadir una constante cosmológica o invocar energía oscura. Sus cálculos indican que la aceleración puede surgir directamente de las propias ecuaciones de Einstein-Euler.

Los hallazgos representan un desafío teórico a la cosmología estándar más que una prueba observacional de que la energía oscura es innecesaria. Establecer si esta alternativa puede describir el universo real requeriría determinar qué tan bien coinciden sus predicciones con las observaciones astronómicas.

¿El universo tiene una ubicación especial?

Más allá de la cuestión de la energía oscura, el estudio también plantea un problema más fundamental relacionado con el principio copernicano.

Nombrado en honor al astrónomo Nicolaus Copernicus, quien ayudó a derrocar la creencia de que la Tierra se encuentra en el centro del sistema solar, el principio sostiene que nuestra ubicación en el universo no es fundamentalmente especial o privilegiada.

Esta suposición se ha convertido en una parte importante de la cosmología moderna, apoyando la visión de que el universo se ve ampliamente similar cuando se observa desde diferentes ubicaciones a escalas suficientemente grandes.

El marco matemático alternativo de los investigadores introduce un centro de simetría esférica, planteando preguntas sobre dónde debería estar ubicado un observador para que el modelo concuerde con las observaciones.

Temple argumentó que el principio copernicano debe aplicarse de manera consistente al evaluar explicaciones competidoras del universo.

"Tanto el modelo de Lambda-cold dark matter como un espacio-tiempo esféricamente simétrico producen un lugar especial donde debemos estar para que el modelo sea físicamente plausible," dijo Temple. "Si este principio descarta uno, debe descartar el otro."

El trabajo abre otra vía para investigar por qué la expansión del universo está acelerando. Aunque la energía oscura sigue siendo un componente central del modelo cosmológico predominante, los investigadores sostienen que las matemáticas de la relatividad general pueden ofrecer una explicación diferente para el mismo fenómeno.

Si trabajos teóricos y observacionales posteriores respaldan su interpretación, podría llevar a una reevaluación significativa de cómo los científicos comprenden la expansión cósmica y las bases matemáticas del Big Bang.

La investigación recibió financiamiento del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido y del Programa SQuaREs del Instituto Americano de Matemáticas.

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