Matemáticos de la Universidad de California en Davis han presentado un desafío significativo a la explicación predominante sobre la expansión acelerada del universo. En un estudio publicado en Proceedings of the Royal Society A, el equipo argumenta que el modelo estándar se basa en un marco matemático inherentemente inestable. Sus cálculos sugieren que la aceleración cósmica podría surgir naturalmente de la teoría original de la gravedad de Einstein, eliminando potencialmente la necesidad del componente misterioso conocido como energía oscura.
La investigación se centra en el modelo Lambda-materia oscura fría, que ha sido el marco líder para describir la evolución del universo desde el Big Bang. Al analizar las ecuaciones de Einstein-Euler, que combinan la relatividad general con la dinámica de fluidos, los investigadores descubrieron que los espaciotiempos de Friedmann, la base de los modelos convencionales de expansión, son inestables tanto a pequeña como a gran escala. Blake Temple, autor principal del estudio y profesor emérito distinguido de matemáticas en UC Davis, comparó esta inestabilidad con un lápiz equilibrado verticalmente sobre su punta. Si bien tal estado representa una solución donde las fuerzas están en equilibrio, es físicamente no observable porque cualquier pequeña perturbación provoca su colapso.
Temple explicó que las soluciones inestables en física generalmente se consideran no físicas porque nunca serían observadas en la naturaleza. El análisis del equipo indica que el universo evoluciona naturalmente alejándose del comportamiento predicho por estos modelos convencionales. En consecuencia, la expansión acelerada podría no requerir una forma separada de energía para explicarla. En su lugar, la respuesta ya podría estar contenida en las ecuaciones originales de Einstein, ofreciendo una explicación más simple y natural que la energía oscura.
Durante casi tres décadas, la energía oscura ha sido la explicación principal del descubrimiento de que el universo no solo se expande, sino que acelera. Este concepto remonta a la teoría de la relatividad general de Einstein de 1915. Aunque Einstein introdujo inicialmente una "constante cosmológica" para mantener un universo estático, un movimiento que más tarde llamó su mayor error después de que Edwin Hubble descubriera la expansión en 1929, el término recuperó prominencia en la década de 1990 cuando los astrónomos observaron una aceleración en la expansión cósmica. Hoy en día, esto se asocia con la energía oscura dentro del modelo estándar del universo de Friedmann, que asume que el espacio se expande mientras la materia permanece distribuida uniformemente.
Los investigadores exploraron inicialmente si una onda de choque masiva podría explicar la expansión y su aceleración. Identificaron una familia de soluciones autosimilares durante la época de radiación del Big Bang que podrían modelar una onda en expansión. Utilizando una forma autosimilar de las ecuaciones de Einstein, trataron el modelo cosmológico estándar como un punto de reposo para examinar cómo se comportarían pequeñas desviaciones de este estado con el tiempo. Sus resultados sugieren que las descripciones convencionales son vulnerables a perturbaciones que crecen en lugar de desvanecerse.
Temple declaró que su trabajo demuestra que los espaciotiempos de Friedmann son inestables ante perturbaciones radiales a grandes escalas de longitud, similar al modelo estático de Einstein. Esta inestabilidad parece descartar el modelo Lambda-materia oscura fría como una solución viable y estable de las ecuaciones de Einstein, independientemente de si se incluye la energía oscura. Las perturbaciones radiales, que cambian con la distancia desde un punto central, pueden provocar que un universo en expansión se desvíe de las predicciones estándar. Los investigadores argumentan que, aunque el Big Bang podría parecerse a un espaciotiempo de Friedmann cerca de un centro de simetría, los observadores lejos de este centro observarían genéricamente aceleraciones.
Más allá de las implicaciones para la energía oscura, el estudio plantea preguntas fundamentales sobre el principio copernicano, que sostiene que nuestra ubicación en el universo no es especial ni privilegiada. El marco alternativo de los investigadores introduce un centro de simetría esférica, lo que genera interrogantes sobre dónde debe ubicarse un observador para que el modelo se alinee con las observaciones. Temple argumentó que tanto el modelo estándar Lambda-materia oscura fría como un espaciotiempo simétrico esféricamente producen un lugar especial donde los observadores deben estar para que los modelos sean físicamente plausibles. Señaló que si el principio copernicano descarta uno, debe descartar al otro.
Los hallazgos representan un desafío teórico a la cosmología estándar en lugar de una prueba observacional de que la energía oscura es innecesaria. Determinar si esta alternativa puede describir el universo real requerirá evaluar qué tan bien coinciden sus predicciones con las observaciones astronómicas. Si trabajos teóricos y observacionales adicionales respaldan su interpretación, podría conducir a una reevaluación significativa de cómo los científicos entienden la expansión cósmica y los fundamentos matemáticos del Big Bang. La investigación recibió financiación del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido y del Programa SQuaREs del Instituto Americano de Matemáticas.
Fuentes: ScienceDaily.